CN109129810A - 一种环保真空绝热芯板及其制备方法 - Google Patents

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范毜仔
张志诚
涂春炘
罗路
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Abstract

本发明公开了一种环保真空绝热芯板及其制备方法，所述真空绝热芯板主要采用木粉和活性炭制得，所述活性炭的质量为所述木粉质量的2‑20%，所述真空绝热芯板的密度为180‑500kg/m3。本发明的真空绝热芯板不仅导热系数较低，而且生产成本也较低；同时该真空绝热芯板对人体无伤害、环保安全；能被生物降解，减轻了人类生存环境的负担。

Description

一种环保真空绝热芯板及其制备方法
技术领域
本发明涉及绝热材料技术领域，具体涉及一种环保真空绝热芯板及其制备方法。
背景技术
真空绝热技术是21世纪一种重要的新型能源技术，目前已经成熟以及正在开发研究的真空绝热板是近年来的一种新型高效绝热材料，广泛应用于军工、航空航天、交通运输、食品工业、冷冻设备和各种保温箱等领域。在我国，真空绝热板的研究已受到越来越多能源科技工作者的重视。用真空绝热板作为冰箱的隔热层，可以有效阻隔冰箱内外热量的传递，大大降低了能耗，可以有效地节约电能；同时，由于真空绝热板厚度是传统的保温材料（聚苯乙烯等）1/10，大大提高了冰箱的空间利用率，可以有效地提高冰箱容积率。
真空绝热板除了可以应用在冰箱等生活家电中，还可以作为建筑墙体保温材料。在欧洲，广泛使用气相二氧化硅为芯材的真空绝热板，大大降低了建筑能耗，减少了煤炭等大量化石燃料的使用。目前已成功用于生活家电、建筑保温、交通运输以及航空航等行业的绝热材料中。真空绝热板制备的材料主要有玻璃纤维和二氧化硅等无机材料。
芯材是真空绝热板(VIP)体系的核心技术，为真空绝热板(VIP)提供隔热和机械性能。然而，目前已商业化的真空绝热板芯材大多数是玻璃纤维，二氧化硅等无机材料。但常常忽略了玻璃纤维等无机材料的生产成本高，对人体有害，不能被生物降解，给人类生存环境造成巨大的负担等问题。同时，无机材料成本高，因此所造真空绝热板的造价较高，这也限制了真空绝热板在各种工业领域中的应用。
在真空绝热板的研究方面，芯材的研究最为重要，真空绝热板芯材绝热材料一般选择多孔介质材料，除支撑作用及本身具有低导热系数、能够有效降低板内辐射换热的要求外，作为真空绝热板芯材使用的材料来说，还必须具备的特性是芯材材料必须为开孔结构，以便于气体抽空，同时微孔的排列应该使材料中的结构接触点尽量少，以减少固体热传导。
目前欧洲国家建筑行业用真空绝热板所选择的芯材大多为气相二氧化硅气凝胶，该材料满足上述所有特性要求，然而缺点是价格较贵，成本较高，产量低、价格高，比较难实现大面积的推广，不适合未来真空绝热板芯材的发展。
纤维材料，如玻璃纤维、玻璃棉以及石棉也可以作为VIP芯材，虽然纤维类芯材保温性能良好，但是不足之处在于：第一，纤维类芯材对真空度要求较高。第二，在抽真空前后体积压缩较大，在用于墙体保温时，若是在失去真空情况下，纤维会恢复到原来的状态，对墙体会产生一定的应力，导致产生鼓泡现象，不仅影响美观，而且其保温性能也几乎丧失；第三，在生产过程中，工作人员皮肤触碰到玻璃纤维易产生刺痒不适反应。我国目前主要采用以玻璃纤维作为芯材，除了上述缺点，其本身生产和储存成本就比较高，并且在制作的过程中技术上很难控制，比如抽真空时必须防止芯材小微粒被抽出来，所有这些都增加了制作费用，还会对工人的呼吸系统造成危害，同时采用湿法的玻璃纤维的成型工艺具有污染严重的缺点，无法克服。
到目前为止，关于以木材原料为芯材制备真空绝热板的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环保真空绝热芯板及其制备方法，用以解决现有真空绝热板的造价较高，难以在各种工业领域广泛应用的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
本发明第一要保护的是一种环保真空绝热芯板，所述真空绝热芯板主要采用木粉和活性炭制得，所述活性炭的质量是所述木粉质量的2-20%，所述真空绝热芯板的密度为180-500kg/m3。
所述木粉的粒度为60-300目, 含水率为5-10%，优选为杉木木粉。
所述活性炭的粒度为60-300目。
所述真空绝热芯板的厚度没有限制，根据需要调节，优选为10-20mm。
本发明第二要保护的是一种环保真空绝热芯板的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）称取相应重量分数的木粉和活性炭，机械搅拌混合均匀；
（2）在步骤（1）中得到的木粉和活性炭混合物中进行雾化施胶，并搅拌均匀；施胶量为木粉和活性炭混合物总质量的1-5%；
（3）将施胶后木粉和活性炭混合物铺装成型，再经预压得到板坯；
（4）热压步骤（3）中得到的板坯，冷却后即得到真空绝热芯板。
步骤（2）雾化施胶中，采用环氧树脂作为胶粘剂。
步骤（2）雾化施胶中，为保证施胶均匀，按质量1：1的比例加入稀释剂稀释所述胶粘剂。
步骤（4）中，热压温度为130-180℃，热压压力为2-6MPa，热压时间为10-30min。
本发明还要保护一种利用真空绝热芯板制备的真空绝热板及其制备方法，所述真空绝热板的制备方法包括以下步骤：首先将制得的真空绝热芯板置于105-110℃烘箱中，干燥至绝干，并将VIP高阻隔薄膜放置于45-55℃烘箱中，干燥至绝干；然后将干燥好的真空绝热芯板放置在VIP高阻隔薄膜中进行封装，当封装真空度达到4.5×10-2-5.5×10-2Pa，进行封口，得到真空绝热板。
真空绝热芯板的密度=质量/体积，由于热压真空绝热芯板所用的模具是固定的，真空绝热芯板的体积是固定的，因此真空绝热芯板的密度由最初加入的木粉和活性炭的质量决定的，最初加入的木粉和活性炭的质量越大，最终得到的真空绝热芯板的密度越大。
本发明具有如下优点：
本发明提供了一种环保真空绝热芯板，采用木粉和活性炭制备而成，木材不仅具有优异的多孔结构和较低的导热系数，还具有可再生性，是一种良好的真空绝热板芯材，其造价成本也明显低于采用二氧化硅或者是玻璃纤维等材料制备的真空绝热芯板，其导热系数可以达到0.0065W/(m·K)，而建筑材料中常用的保温隔热材料（聚氨酯、酚醛、石棉等）的导热系数一般在0.05W/(m·K)左右。
如背景技术所述，现有技术中的绝热材料大致有2类，其中一类是由二氧化硅或者是玻璃纤维等材料制备的真空绝热芯板，虽然导热系数低，但是造价极高，难以在冰箱外的其他领域得到广泛应用；另外一类是建筑材料中常用的保温隔热材料（聚氨酯、酚醛、石棉等），虽然造价低，但是导热系数太大。本发明的真空绝热芯板的在降低成本的同时，也达到了一个很低的导热系数，在造价成本和导热系数之间取得了一个很好的平衡。
此外，本发明的真空绝热芯板环保安全、对人体无伤害；能被生物降解，给人类生存环境减轻了负担。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，以下实例将对本发明做进一步说明，但并非用以限制本发明的范围。
实施例1
真空绝热板是以木粉和活性炭为原料，以环氧树脂为胶黏剂，经过施胶、组坯、热压、冷却、干燥、封装等工序压制而成。
（1）备料：所用木粉为速生材杉木木粉，木粉含水率为7%，木粉粒度为180目；活性炭粒度为60~300目，堆积密度320Kg/m3，孔隙率80%，导热系数0.0502 W/(m·K)；活性炭添加比例为木粉重量的15%。控制最终芯材密度为200kg/m3，根据芯材密度添加合适的木粉和活性炭质量，二者机械搅拌混合均匀。
（2）调胶施胶：选用环氧树脂作为胶粘剂，施胶量为3%，为保证施胶均匀，按质量1：1的比例加入稀释剂稀释。将木粉和活性炭放入搅拌机中，采用雾化施胶，搅拌均匀，得到混合物。
（3）铺装预压：施胶后的混合物进行铺装成型，由于木粉重量较轻，堆积密度小，铺装后需经过预压，以增加板坯强度。
铺装采用手工铺装，施胶后的混合物在300×300mm的模具中进行均匀的铺洒，通过原料的重量控制最终芯材的密度，预压在压机上进行。
（4）热压：热压过程中采用万能试验机，根据试验具体方案设定热压参数（热压工艺为：热压温度150℃，热压压力4MPa，热压时间20min），采用模具(300×300×20mm)控制板坯厚度，使用聚四氟乙烯膜，将板坯与垫板隔开。
（5）冷却及性能检测：热压后的芯材经过冷却后按照性能检测所需尺寸裁制成试件。采用万能试验压机（BY302X2/15，苏州新协力机器制造有限公司）进行力学性能检测。
（6）干燥：将制得的芯材放置105℃烘箱干燥至绝干，VIP阻隔膜放置50℃烘箱干燥至绝干。
（7）封装：采用封装机（JH-600，青岛嘉和机电设备有限公司）将干燥好的芯材放置VIP阻隔膜中进行封装，当封装真空度达到5×10-2 Pa，进行封口。最后，采用导热系数仪（HFM 436，德国NETZSCH）对封装好的VIP进行导热性能检测。
实施例2
控制最终真空绝热芯板的密度为180kg/m3，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例3
控制最终真空绝热芯板的密度为350kg/m3，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例4
控制最终真空绝热芯板的密度为400kg/m3，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例5
控制最终真空绝热芯板的密度为500kg/m3，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例1-5中真空绝热芯板的静曲强度和真空绝热板的导热系数如表1所示，表1表明，在其他条件相同的情况下，真空绝热芯板的密度越小，最终制得的真空绝热板的导热系数越小；在其他条件相同的情况下，真空绝热芯板的密度越小，其静曲强度越小。
实施例6
在备料的过程中，活性炭添加比例为木粉重量的2%，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例7
在备料的过程中，活性炭添加比例为木粉重量的5%，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例8
在备料的过程中，活性炭添加比例为木粉重量的10%，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例9
在备料的过程中，活性炭添加比例为木粉重量的20%，其他条件及步骤和实施例1相同。
实施例1、6-9的真空绝热芯板的静曲强度和真空绝热板的导热系数如表2所示，表2表明，在其他条件相同的情况下，当活性炭添加比例为木粉重量的15%时，最终制得的真空绝热板的导热系数最小。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种环保真空绝热芯板，其特征在于：所述真空绝热芯板主要采用木粉和活性炭制得，所述活性炭的质量是所述木粉质量的2-20%，所述真空绝热芯板的密度为180-500kg/m3。
2.根据权利要求1所述的环保真空绝热芯板，其特征在于：所述木粉的粒度为60-300目。
3.根据权利要求1所述的环保真空绝热芯板，其特征在于：所述活性炭的粒度为60-300目。
4.一种如权利要求1所述的环保真空绝热芯板的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）称取相应重量分数的木粉和活性炭，机械搅拌混合均匀；
（2）在步骤（1）中得到的木粉和活性炭混合物中进行雾化施胶，并搅拌均匀；施胶量为木粉和活性炭混合物总质量的1-5%；
（3）将施胶后木粉和活性炭混合物铺装成型，再经预压得到板坯；
（4）热压步骤（3）中得到的板坯，冷却后即得到真空绝热芯板。
5.根据权利要求4所述的环保真空绝热芯板的制备方法，其特征在于：步骤（2）雾化施胶中采用环氧树脂作为胶粘剂。
6.根据权利要求4所述的环保真空绝热芯板的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，热压温度为130-180℃，热压压力为2-6MPa，热压时间为10-30min。
7.一种利用权利要求1所述真空绝热芯板制备的真空绝热板。
8.一种如权利要求7所述的真空绝热板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：首先将制得的真空绝热芯板置于105-110℃烘箱中，干燥至绝干，并将VIP高阻隔薄膜放置于45-55℃烘箱中，干燥至绝干；然后将干燥好的真空绝热芯板放置在VIP高阻隔薄膜中进行封装，当封装真空度达到4.5×10-2-5.5×10-2Pa，进行封口，得到真空绝热板。
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