CN114409372A - 一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，所述方法步骤为：一、以离心棉和火焰棉为原材料，通过湿法造纸工艺制得玻璃棉芯材；二、以气相二氧化硅粉末、遮光剂、聚酯短切丝纤维和第二相隔热粉末为原材料，采用干粉混合工艺制得气相二氧化硅复合芯材。揭示了玻璃棉浆料在成型中纤维的堵塞和迁移机制，分析了玻璃棉芯材在不同烘干条件和不同阶段下的微结构特性，获得了低导热系数玻璃棉真空绝热板的最佳制备工艺参数，建立了聚酯纤维/多粒径粉末复合芯材的组分与真空绝热板的各项热传导之间的关系，制备出隔热性能优良的空心玻璃微珠/气相二氧化硅真空绝热板和稻壳灰/气相二氧化硅真空绝热板。可在建筑、家电、冷链等保温领域进行推广应用。

Description

一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法

技术领域

本发明属于绝热材料技术领域，更具体地说，特别涉及一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法。

背景技术

随着各国经济的高速发展，世界能源危机与环境恶化问题应运而生。很多国家开始实施节能与环保方面的政策法规，以求在利用能源的同时最大程度地减少碳排放量。近些年，来自各个行业的隔热、保温、保冷、节能要求正逐年提高。常用绝热材料，如玻璃棉毡、岩棉、发泡聚苯乙烯、聚氨酯和酚醛泡沫的导热系数大都高于20mW/(m·K)，隔热性能庸常，已经越来越难以满足当前的高标准和高要求，如何对玻璃纤维芯材的真空绝热板进行结构的改进，提高其综合性能具有重要的实际工程意义，也引起了较为广泛的关注。要克服这些问题，常采用的解决方法是：①保持空气界面层：通过粘结剂使玻璃纤维棉毡固化，增加芯材的刚度，存在的问题是粘结剂易挥发，挥发后增大板内压力，导致真空绝热板的绝热性能迅速下降。②添加阻隔层：通过在叠层放置的保温材料之间如添加SiC板等无机材料进行人为阻断热桥，其缺点是显著增加真空绝热板的重量。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，真空封装技术包含两种技术，分别是抽真空技术和封边焊接技术。其中，抽真空技术是真空绝热板初期能达到何种真空度的关键，封边焊接技术是真空绝热板能在多长时间内保持其内部高真空度的关键。金莎莎等[30]研究了热封温度、时间与压力对热封强度的影响和焊缝夹杂、焊缝热影响区、焊缝焦烫等因素对真空绝热板封边热封性能的影响，结果表明， PA/VMPET/Al/PE膜材的最佳热封温度为160～170℃，热封时间为1～2s，热封压力为0.2～0.4 MPa。有效的解决了上述存在的技术问题。

本发明一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：

一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，所述方法步骤为：一、以离心棉和火焰棉为原材料，通过湿法造纸工艺制得玻璃棉芯材；二、以气相二氧化硅粉末、遮光剂、聚酯短切丝纤维和第二相隔热粉末为原材料，采用干粉混合工艺制得气相二氧化硅复合芯材。

所述步骤一中，包括以下七步骤：(1)配料：按照纤维的配比，称量离心棉和火焰棉的重量；

(2)打浆：在打浆机内注入少量的白水溶液和浓硫酸，调节浆液的pH值至2.0～3.0，把称好的原料缓慢地倒入打浆池中，设置好打浆机的打浆转数，开始打浆，形成玻璃棉浆料；

(3)调浆：将玻璃棉浆料抽至调浆池，加入大量的白水溶液，将浆料中的纤维含量控制在 0.01～0.1wt.％，利用电动搅拌器搅拌浆料10～30min，调节浆液的pH值至3.0～3.5，再抽到储浆池中，不断地搅拌浆料；

(4)成型：将玻璃棉浆料供应到不断运转的多孔聚酯成型网上，利用三级负压真空泵分段抽离浆液，使浆料形成湿态毡胚，再利用橡胶辊辊压毡胚使之形成表面平整的湿态薄毡；

(5)烘干：将两端开口的烘箱的温度设置为300±20℃，将湿态薄毡放在传送带上并输送至烘箱中，待输送至烘箱出口时得到干态薄毡；

(6)裁切：利用分头机和切断机分切干态薄毡，得到特定尺寸的玻璃棉芯材。

所述步骤二中，包括以下四步骤：(1)烘干：将玻璃棉芯材分别放置在110℃、130℃、 150℃和170℃的烘箱中烘烤30min、60min和90min，将气相二氧化硅复合芯材放置在120℃的烘箱中烘烤90min，将膜材放置在45±5℃的烘房中烘烤120min；

(2)装袋：将10g袋装的CaO干燥剂和芯材迅速地放入三边封边的膜材最里侧；

(3)抽真空与封边焊接：将装有芯材和干燥剂的膜材平整地放入jh-600-1-2型真空绝热板抽真空机(青岛嘉和机电设备有限公司制造)中，并将膜材未封边的一侧紧贴热封焊接条处，将焊接条的封边时间、封边预热时间、封边冷却时间和放气时间分别设置成5s、2.5s、25s和 45s，然后启动真空绝热板抽真空机，进行抽真空与封边的焊接处理，最后得到表面平整的真空绝热板试样。

所述抽真空过程包括三个阶段：抽气阶段、保压阶段和放气阶段。

所述方法步骤为：通过调节控制面板可设置真空绝热板在抽真空和封边焊接中的各个参数，依靠罗茨泵、旋片泵和扩散泵的协同抽吸作用将真空封装室内的气压逐渐地从低真空态抽到高真空态，最后到0.1Pa以下。接着，真空封装室内的气压在0.1Pa以下保持一段时间(即保压时间)。随后，真空箱的热封装置启动，封边被两个相互平行的焊接条紧紧地压住并保持一段时间(即封边时间)，随后焊接条松开，实现封边的粘合。然后，真空箱的放气装置启动，大气中的气体缓慢地灌输进真空室中，直到真空封装室内的气压与大气压相同；最后，真空封装室打开，此时，真空绝热板的内部(高真空态)与外部(1个大气压)存在巨大的压强差，芯材受到强力压缩，与膜材贴合在一起，使真空绝热板保持平板状。

本发明通过优化玻璃棉纤维的配比和打浆中的打浆转数、降低芯材片的厚度、优化玻璃棉芯材的烘干条件与抽真空中的保压时间等方式制备出导热系数低于2.2mW/(m·K)的玻璃棉真空绝热板；通过在气相二氧化硅粉末中掺杂炭黑粉末、空心玻璃微珠和稻壳灰粉末制备出低导热系数、低回弹和低成本的气相二氧化硅真空绝热板。其中，添加6～26wt.％空心玻璃微珠的气相二氧化硅真空绝热板的导热系数为5.3～7.2mW/(m·K)，回弹率为6～14％；添加 26～36wt.％稻壳灰的气相二氧化硅真空绝热板的导热系数为5.5～6.2mW/(m·K)，回弹率为35～39％，芯材成本可降低23～32％。

最后，本发明基于芯材的微/纳米孔结构特征，建立了气相热传导的小孔-大孔所占比理论模型，研究了芯材中大孔的孔径和大孔的比例对真空绝热板的气相热传导的影响，并根据芯材的吸湿特性和内部气压与水分含量对芯材导热系数的影响预测了真空绝热板的使用寿命。本发明得到的结论如下：

(1)打浆可缩短玻璃棉纤维的长度，提高浆料中纤维的分散性和芯材的拉伸强度。当打浆转数小于5000转时，玻璃棉浆料的脱水阻力随着打浆转数的增加而增加。当打浆转数大于 5000转时，玻璃棉浆料的脱水阻力保持稳定。在离心棉中掺杂火焰棉虽然可提高玻璃棉芯材的拉伸强度，但会增大玻璃棉浆料的脱水阻力。玻璃棉芯材中离心棉与火焰棉的最佳配比为3： 7。在此纤维配比下，最佳的打浆转数为5000转。

(2)充分的烘干可大幅降低玻璃棉芯材的含水率，进而降低玻璃棉真空绝热板的导热系数。玻璃棉芯材的最佳烘干温度和烘干时间分别为150℃和60min。降低烘干温度或缩短烘干时间不能完全去除玻璃棉芯材中的水分和杂质，制得的玻璃棉真空绝热板的导热系数较高且不稳定。增加烘干温度或延长烘干时间对于进一步去除玻璃棉芯材中的水分和杂质的作用不明显，制得的玻璃棉真空绝热板的导热系数虽有小幅降低，但产生了很大的能源消耗。

(3)降低玻璃棉芯材片的厚度并保证抽真空中足够的保压时间是获得低导热系数玻璃棉

真空绝热板的关键。含厚度为0.5mm、1.0mm、3.0mm和7.0mm的芯材片的玻璃棉真空绝热板的最佳保压时间分别为300s、240s、240s和180s。在最佳保压时间下，含厚度为0.5mm、1.0mm、3.0mm和7.0mm的芯材片的玻璃棉真空绝热板的导热系数分别为2.0 mW/(m·K)、2.1mW/(m·K)、2.7mW/(m·K)和2.9mW/(m·K)。

(4)玻璃棉真空绝热板在静置中的内部气压增长速率随着芯材片片数的增加而减小。为了获得低且稳定导热系数的玻璃棉真空绝热板，芯材片的最佳片数为16～32片。

(5)在气相二氧化硅粉末中添加0～10wt.％的炭黑粉末可降低气相二氧化硅真空绝热板的导热系数并改善真空绝热板的抗老化性能。气相二氧化硅真空绝热板中炭黑的最佳添加量为3wt.％。

(6)在气相二氧化硅粉末中添加0～46wt.％的空心玻璃微珠不仅可获得孔径更低、更均匀分布的复合芯材，还可降低真空绝热板的压缩率与回弹率。当空心玻璃微珠的添加量低于 26wt.％时，真空绝热板的导热系数低于7.2mW/(m·K)。含6wt.％空心玻璃微珠的气相二氧化硅真空绝热板建议在白色家电中使用，含26wt.％空心玻璃微珠的气相二氧化硅真空绝热板建议在建筑中使用。

(7)在气相二氧化硅粉末中添加0～46wt.％的稻壳灰粉末可获得高孔隙率(80.5～ 87.9％)和低孔径(150.9～210.3nm)的复合芯材。当内部气压为100～100000Pa时，稻壳灰/气相二氧化硅真空绝热板的导热系数介于玻璃棉真空绝热板的导热系数与遮光的气相二氧化硅真空绝热板的导热系数之间。当稻壳灰的添加量为26wt.％和36wt.％时，稻壳灰/气相二氧化硅真空绝热板不仅具有较低的导热系数(5.5～6.2mW/(m·K))和回弹率(35～39％)，还可降低23～32％的芯材成本。

(8)水分含量和内部气压分别对服役初期和服役后期的真空绝热板的导热系数影响较大。在24℃、31％R.H.的环境下，稻壳灰/气相二氧化硅真空绝热板的使用寿命为12～55年。含干燥剂的玻璃棉真空绝热板的使用寿命为11～13年。

(9)降低芯材中大孔的孔径和和大孔的比例不仅可大幅降低真空绝热板的气相热传导还可增大真空绝热板中可允许的最大内部气压。在lg-lg坐标系下，真空绝热板中可允许的最大内部气压与芯材中大孔的孔径存在线性关系。降低芯材的孔径并减少芯材中大孔的比例是获得低导热系数、长寿命真空绝热板的关键。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)揭示了玻璃棉浆料在成型中纤维的堵塞和迁移机制，分析了玻璃棉芯材在不同烘干条件和不同阶段下的微结构特性，获得了低导热系数玻璃棉真空绝热板的最佳制备工艺参数。

(2)建立了聚酯纤维/多粒径粉末复合芯材的组分与真空绝热板的各项热传导之间的关系，制备出隔热性能优良的空心玻璃微珠/气相二氧化硅真空绝热板和稻壳灰/气相二氧化硅真空绝热板。

(3)研究了稻壳灰/气相二氧化硅复合芯材的吸湿特性，揭示了内部气压与水分含量对芯材导热系数的影响规律，研究表明，芯材中大孔的孔径及占比对真空绝热板的气相热传导有较大的影响。降低芯材的孔径并减少芯材中大孔的比例是获得低导热系数、长寿命真空绝热板的关键。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程示意图；

图2为本发明的玻璃棉芯材制备工艺流程图；

图3为本发明的气相二氧化硅复合芯材制备工艺流程图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

本发明提供一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，如附图1-3所示，所述方法步骤为：一、以离心棉和火焰棉为原材料，通过湿法造纸工艺制得玻璃棉芯材；二、以气相二氧化硅粉末、遮光剂、聚酯短切丝纤维和第二相隔热粉末为原材料，采用干粉混合工艺制得气相二氧化硅复合芯材。

所述步骤一中，包括以下七步骤：

(1)配料：按照纤维的配比，称量离心棉和火焰棉的重量；

(2)打浆：在打浆机内注入少量的白水溶液和浓硫酸，调节浆液的pH值至2.0～3.0，把称好的原料缓慢地倒入打浆池中，设置好打浆机的打浆转数，开始打浆，形成玻璃棉浆料；

(3)调浆：将玻璃棉浆料抽至调浆池，加入大量的白水溶液，将浆料中的纤维含量控制在0.01～0.1wt.％，利用电动搅拌器搅拌浆料10～30min，调节浆液的pH值至3.0～3.5，再抽到储浆池中，不断地搅拌浆料；

(4)成型：将玻璃棉浆料供应到不断运转的多孔聚酯成型网上，利用三级负压真空泵分段抽离浆液，使浆料形成湿态毡胚，再利用橡胶辊辊压毡胚使之形成表面平整的湿态薄毡；

(5)烘干：将两端开口的烘箱的温度设置为300±20℃，将湿态薄毡放在传送带上并输送至烘箱中，待输送至烘箱出口时得到干态薄毡；

(6)裁切：利用分头机和切断机分切干态薄毡，得到特定尺寸的玻璃棉芯材。

所述步骤二中，包括以下四步骤：(1)烘干：将玻璃棉芯材分别放置在110℃、130℃、 150℃和170℃的烘箱中烘烤30min、60min和90min，将气相二氧化硅复合芯材放置在120℃的烘箱中烘烤90min，将膜材放置在45±5℃的烘房中烘烤120min；(2)装袋：将10g袋装的CaO干燥剂和芯材迅速地放入三边封边的膜材最里侧；(3)抽真空与封边焊接：将装有芯材和干燥剂的膜材平整地放入jh-600-1-2型真空绝热板抽真空机中，并将膜材未封边的一侧紧贴热封焊接条处，将焊接条的封边时间、封边预热时间、封边冷却时间和放气时间分别设置成5s、2.5s、25s和45s，然后启动真空绝热板抽真空机，进行抽真空与封边的焊接处理，最后得到表面平整的真空绝热板试样。

所述抽真空过程包括三个阶段：抽气阶段、保压阶段和放气阶段。

所述方法步骤为：通过调节控制面板可设置真空绝热板在抽真空和封边焊接中的各个参数，依靠罗茨泵、旋片泵和扩散泵的协同抽吸作用将真空封装室内的气压逐渐地从低真空态抽到高真空态，最后到0.1Pa以下。接着，真空封装室内的气压在0.1Pa以下保持一段时间(即保压时间)。随后，真空箱的热封装置启动，封边被两个相互平行的焊接条紧紧地压住并保持一段时间(即封边时间)，随后焊接条松开，实现封边的粘合。然后，真空箱的放气装置启动，大气中的气体缓慢地灌输进真空室中，直到真空封装室内的气压与大气压相同；最后，真空封装室打开，此时，真空绝热板的内部(高真空态)与外部(1个大气压)存在巨大的压强差，芯材受到强力压缩，与膜材贴合在一起，使真空绝热板保持平板状。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (5)

1.一种微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：一、以离心棉和火焰棉为原材料，通过湿法造纸工艺制得玻璃棉芯材；二、以气相二氧化硅粉末、遮光剂、聚酯短切丝纤维和第二相隔热粉末为原材料，采用干粉混合工艺制得气相二氧化硅复合芯材。

2.根据权利要求1所述的微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，包括以下七步骤：

(1)配料：按照纤维的配比，称量离心棉和火焰棉的重量；

(2)打浆：在打浆机内注入少量的白水溶液和浓硫酸，调节浆液的pH值至2.0～3.0，把称好的原料缓慢地倒入打浆池中，设置好打浆机的打浆转数，开始打浆，形成玻璃棉浆料；

(3)调浆：将玻璃棉浆料抽至调浆池，加入大量的白水溶液，将浆料中的纤维含量控制在0.01～0.1wt.％，利用电动搅拌器搅拌浆料10～30min，调节浆液的pH值至3.0～3.5，再抽到储浆池中，不断地搅拌浆料；

(4)成型：将玻璃棉浆料供应到不断运转的多孔聚酯成型网上，利用三级负压真空泵分段抽离浆液，使浆料形成湿态毡胚，再利用橡胶辊辊压毡胚使之形成表面平整的湿态薄毡；

(5)烘干：将两端开口的烘箱的温度设置为300±20℃，将湿态薄毡放在传送带上并输送至烘箱中，待输送至烘箱出口时得到干态薄毡；

(6)裁切：利用分头机和切断机分切干态薄毡，得到特定尺寸的玻璃棉芯材。

3.根据权利要求1所述的微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，包括以下四步骤：

(1)烘干：将玻璃棉芯材分别放置在110℃、130℃、150℃和170℃的烘箱中烘烤30min、60min和90min，将气相二氧化硅复合芯材放置在120℃的烘箱中烘烤90min，将膜材放置在45±5℃的烘房中烘烤120min；

(2)装袋：将10g袋装的CaO干燥剂和芯材迅速地放入三边封边的膜材最里侧；

(3)抽真空与封边焊接：将装有芯材和干燥剂的膜材平整地放入真空绝热板抽真空机中，并将膜材未封边的一侧紧贴热封焊接条处，将焊接条的封边时间、封边预热时间、封边冷却时间和放气时间分别设置成5s、2.5s、25s和45s，然后启动真空绝热板抽真空机，进行抽真空与封边的焊接处理，最后得到表面平整的真空绝热板。

4.根据权利要求3所述的微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，其特征在于：所述抽真空过程包括三个阶段：抽气阶段、保压阶段和放气阶段。

5.根据权利要求4所述的微纳米孔结构芯材及其真空绝热板的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：通过调节控制面板可设置真空绝热板在抽真空和封边焊接中的各个参数，依靠罗茨泵、旋片泵和扩散泵的协同抽吸作用将真空封装室内的气压逐渐地从低真空态抽到高真空态，最后到0.1Pa以下，接着，真空封装室内的气压在0.1Pa以下保持一段时间，随后，真空箱的热封装置启动，封边被两个相互平行的焊接条紧紧地压住并保持一段时间，随后焊接条松开，实现封边的粘合，然后，真空箱的放气装置启动，大气中的气体缓慢地灌输进真空室中，直到真空封装室内的气压与大气压相同；最后，真空封装室打开，此时，真空绝热板的内部与外部存在巨大的压强差，芯材受到强力压缩，与膜材贴合在一起，使真空绝热板保持平板状。

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