隔熱纖維材料的隔熱性能

隔熱纖維材料的隔熱性能

1阻燃整理用纖維材料隨著人類面臨的能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)新能源、減少能源浪費(fèi)尤其重要。隔熱材料引起了每個(gè)方面的關(guān)注。隔熱材料種類有很多,如珍珠巖、蛭石、硅藻土、浮石、火山灰、沸石、硅酸鈣等,而隔熱纖維材料有著其他材料無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)。隔熱纖維材料是一種減緩由傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射產(chǎn)生熱流速度的材料或復(fù)合材料,絕大多數(shù)為硅酸鹽類礦物材料。隔熱纖維材料具有以下優(yōu)點(diǎn):易制成多孔材料,纖維集合體具有較高的孔隙率和較小的容重;纖維本身具有一定的拉伸強(qiáng)度,其制品的抗拉、抗壓和抗折強(qiáng)度高;纖維制品的成形和使用方便,其對(duì)曲面的貼合適應(yīng)性較好;對(duì)材料的參數(shù)可以進(jìn)行控制設(shè)計(jì);纖維材料可與其他材料進(jìn)行復(fù)合、部分復(fù)合或組合,共同發(fā)揮隔熱作用。隔熱纖維材料主要有石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁纖維、高硅氧纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等。其中石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁纖維等已在傳統(tǒng)工業(yè)中大量應(yīng)用,高硅氧纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維和陶瓷纖維等在特種工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。2海淡行業(yè)隔熱材料熱導(dǎo)率的要求隔熱纖維材料主要由固體基質(zhì)和氣孔組成,且固體基質(zhì)和氣孔為連續(xù)相。傳熱的基本方式主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。材料的隔熱機(jī)理可用導(dǎo)熱微觀理論加以解釋,有效熱導(dǎo)率的數(shù)值一般介于構(gòu)成隔熱材料的固體相熱導(dǎo)率和氣體熱導(dǎo)率之間,它取決于隔熱材料的結(jié)構(gòu)、氣孔率和組成隔熱材料固、氣相材料本身的性質(zhì)。隔熱纖維材料一般可對(duì)固相、氣相和液相以及輻射傳熱共同起作用。濕度是影響隔熱纖維材料熱導(dǎo)率的一個(gè)很重要的因素,受外部條件影響很大。由于水的熱導(dǎo)率約為空氣的25倍,冰的熱導(dǎo)率更大,所以隔熱纖維材料吸水或吸濕后的熱導(dǎo)率將會(huì)大幅度增加。液相傳熱的外在條件是地下水的存在、雨霧天氣以及空氣中的水分(即空氣相對(duì)濕度)等,液相傳熱的內(nèi)在因素是材料本身具有的吸濕性和纖維集合體的毛細(xì)管效應(yīng)等。大多數(shù)的隔熱纖維材料需要覆蓋一層鋁箔薄膜,用以減少或阻隔輻射熱的傳遞。在高溫狀態(tài)下,無(wú)濕熱傳遞現(xiàn)象,更高溫度下,部分固相可直接升華為氣相態(tài)。容重、孔隙率和熱導(dǎo)率為隔熱纖維材料的基本參數(shù)。容重是指單位外形體積隔熱纖維材料的質(zhì)量,孔隙率是指整個(gè)隔熱纖維材料外形體積中氣孔所占的體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)Fourier傳熱定律對(duì)有效熱導(dǎo)率進(jìn)行控制設(shè)計(jì)是優(yōu)化隔熱纖維材料隔熱性能的主要手段之一。對(duì)于纖維狀隔熱材料而言,分為與纖維方向平行的熱導(dǎo)率和與纖維方向垂直的熱導(dǎo)率,且前者要比后者大很多。在工程實(shí)際中,對(duì)于垂直型散熱面或垂直型熱流管道的隔熱纖維材料的鋪放,需要對(duì)纖維的鋪設(shè)方向進(jìn)行專門設(shè)計(jì),由于熱流的釋放方向是垂直向上的(熱濕氣流方向),因此,纖維在鋪設(shè)時(shí)不僅要與散熱面平行,同時(shí)還要與地面平行,使熱流散失方向與纖維方向盡量垂直,使有效熱導(dǎo)率最低。同理,對(duì)水平管道的纖維網(wǎng)包纏或纖維隔熱預(yù)制件包覆,應(yīng)保證有一定量的纖維與管道保持平行,以使熱流散失方向與纖維方向成垂直狀態(tài)。實(shí)際中多采用纖維氈的纖維方向雜亂,介于垂直和平行之間,可以取纖維平行排列熱導(dǎo)率和垂直排列熱導(dǎo)率的中間值,因此影響并不顯著。影響隔熱纖維材料熱導(dǎo)率的因素一是纖維形態(tài)特征,包括纖維的幾何形態(tài)和氣孔形狀,具有微孔表面結(jié)構(gòu)的纖維比表面光滑的纖維熱導(dǎo)率要小,一般情況下,氣孔平均直徑愈小,其纖維隔熱材料的熱導(dǎo)率也愈小,此外,纖維越細(xì),其纖維隔熱材料的熱導(dǎo)率也越小;二是氣孔率,材料應(yīng)維持較高且穩(wěn)定的氣孔率,即靜態(tài)空氣的含量要高并且穩(wěn)定;三是材料的熱導(dǎo)率,一般固相和氣相熱導(dǎo)率之比越小越好;四是容重,應(yīng)選擇較輕質(zhì)、帶有一定扭曲的纖維材料;另外,溫濕度對(duì)熱導(dǎo)率也有影響。3民用工業(yè)用隔纖維材料的類型和性能3.1棉棉大徑管棉石棉是可分剝成柔韌細(xì)長(zhǎng)纖維的含鎂硅酸鹽礦物的總稱。按照礦物類型,石棉可分為蛇紋石石棉、角閃石石棉和水鎂石石棉三大類。其中,蛇紋石石棉又稱溫石棉,應(yīng)用較多。石棉具有較好的隔熱、耐堿、絕緣、防腐等性能,可紡性較好。石棉隔熱材料的長(zhǎng)期安全使用溫度400℃～450℃,短時(shí)間使用可達(dá)700℃。石棉隔熱纖維制品按其生產(chǎn)工藝可分為以下幾種類型:織造類,如石棉紗、石棉線、石棉繩、石棉布、石棉帶、石棉被、石棉衣著等;造紙類,如石棉紙、石棉襯墊、石棉保溫板等;模制類,如石棉硅酸鈣板、碳酸鎂石棉管、泡沫石棉等;涂料類,如石棉硅酸鹽復(fù)合涂料、石棉灰漿等。由于開(kāi)放型石棉及其制品可對(duì)人體肺部造成侵害,近年來(lái)已被各國(guó)逐漸禁用。3.2酶系統(tǒng)求取cao巖棉又稱巖石棉或巖礦棉,是以天然巖石如玄武巖、輝綠巖等為基本原料,經(jīng)過(guò)熔化、纖維化而制成的一種無(wú)機(jī)質(zhì)纖維。巖棉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))要求:SiO240%～50%,Al2O310%～17%,Fe2O311%～17%,CaO9%～14%,MgO6%～14%,K2O+Na2O2%～4%,燒蝕量5%。國(guó)產(chǎn)以酚醛樹(shù)脂作為黏結(jié)劑(3%～5%)的巖棉氈長(zhǎng)期使用溫度在400℃左右。巖棉主要用于建筑保溫隔熱,包括墻體、屋面、門窗、地面保溫等,工廠可預(yù)制成各種巖棉夾芯復(fù)合板;工業(yè)保溫隔熱,包括高溫管道、罐體、鍋爐、熱交換器等設(shè)備;船舶艙壁等。3.3玻璃棉的生產(chǎn)與性能玻璃棉即短玻璃纖維,是以石英砂、白云石、蠟石等天然礦石,配以其他化工原料如堿、硼等,在熔融狀態(tài)下經(jīng)拉制、吹噴或甩制而成的極細(xì)的纖維狀材料。按其化學(xué)成分中堿金屬氧化物的含量可分為無(wú)堿、中堿和高堿玻璃棉;按生產(chǎn)方法可分為火焰法玻璃棉、離心噴吹法玻璃棉和蒸汽(或壓縮空氣)立吹法玻璃棉。離心噴吹法生產(chǎn)玻璃棉的化學(xué)成分見(jiàn)表1。根據(jù)黏結(jié)劑種類,玻璃棉制品可分為低溫、中溫和高溫三種類型。對(duì)于使用樹(shù)脂作為黏結(jié)劑的制品使用溫度不宜超過(guò)200℃,無(wú)黏結(jié)劑或采用無(wú)機(jī)黏結(jié)劑的制品最高使用溫度約為550℃。玻璃纖維的一些基本性能與參數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖1(溫度20℃,纖維直徑5μm)。玻璃纖維品種繁多。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,玻璃棉及其制品是一種普及較廣的建筑保溫隔熱材料,包括供熱、供水、動(dòng)力等設(shè)備各種管道的保溫隔熱。其中玻璃棉氈主要用于建筑物隔熱、空調(diào)及通風(fēng)設(shè)備的保溫、計(jì)算機(jī)房、冷庫(kù)的保溫以及飛機(jī)、船舶、有軌車輛、隧道等保溫隔熱。玻璃棉及其制品還可用于電廠、水泥、石油、化工、煤炭、機(jī)車等高溫氣體凈化等。3.4工業(yè)特殊領(lǐng)域硅酸鋁纖維又稱耐火纖維,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的新型優(yōu)質(zhì)隔熱材料,可分為低溫型(<900℃)、標(biāo)準(zhǔn)型(>1200℃)和高溫型(1400℃～1600℃)三種。由于硅酸鋁耐火纖維生產(chǎn)成本較高,目前其應(yīng)用主要在工業(yè)特殊領(lǐng)域,包括原子能反應(yīng)堆、冶金爐石化反應(yīng)裝置的內(nèi)襯、金屬材料熱處理爐以及陶瓷燒窯等的絕熱內(nèi)襯。近年來(lái),由于發(fā)現(xiàn)硅酸鋁纖維制品在長(zhǎng)期高溫作用下,其晶相產(chǎn)生轉(zhuǎn)變,會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì),因此,部分廠家已停用這種纖維,而改用以無(wú)堿玻纖制成的高硅氧纖維來(lái)代替。4其它纖維材料高硅氧纖維:我國(guó)生產(chǎn)的高硅氧纖維原始玻璃組分以SiO2—B2O3—Na2O三元系為主。為降低成本,美、俄、英等國(guó)多采用以SiO2—Na2O二元系為主或采用E玻璃進(jìn)行高硅氧玻璃纖維及制品的生產(chǎn)。高硅氧纖維主要用于焊接飛濺物防護(hù)、低溫退火氈、軟接管、窯爐護(hù)簾、電纜、耐溫襯墊材料等。氧化鋁纖維:該纖維以Al2O3為主要成分,同時(shí)含有SiO2、B2O3、Zr2O3、MgO等成分,可耐1000℃左右的高溫。純的氧化鋁纖維耐高溫性能更優(yōu),但制取較困難,應(yīng)用較少。陶瓷纖維:目前陶瓷纖維按其組成可分為含鋁氧化物陶瓷纖維、硅化物陶瓷纖維(如碳化硅、氮化硅等)、硼及硼化物陶瓷纖維。碳化硅纖維是一種陶瓷纖維,先由有機(jī)硅聚合物制得聚碳硅烷,紡絲成形,再于1300℃以上燒結(jié)而成,其最高使用溫度可達(dá)1400℃?？捎糜诟咚亠w行器端頭、前緣的熱防護(hù)以及高速剎車盤,還可用于高溫過(guò)濾、吸波等領(lǐng)域。5纖維材料的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)隔熱纖維材料的研發(fā)主要集中在以下幾個(gè)方面。(1)加速對(duì)金屬的腐蝕憎水劑的使用,使得材料吸水后其絕熱性能不但大大降低,而且還會(huì)加速對(duì)金屬的腐蝕。目前,有機(jī)硅烷類憎水劑已大量使用,效果良好。耐高溫型無(wú)機(jī)黏結(jié)劑系列產(chǎn)品的研制與開(kāi)發(fā),將會(huì)使耐溫型纖維的品種和應(yīng)用領(lǐng)域大大拓寬。(2)復(fù)合硅酸鹽是一種隔熱材料目前使用的隔熱材料在應(yīng)用上都存在著不同程度的缺陷,通過(guò)成分控制與工藝優(yōu)化,可以生產(chǎn)出通用型或系列化復(fù)合硅酸鹽類隔熱材料。(3)納米孔硅質(zhì)材料的熱性能目前,已出現(xiàn)幾種新型隔熱材料,如納米孔絕熱材料、復(fù)合隔熱材料等。納米孔硅質(zhì)隔熱材料中氣孔尺寸絕大部分處于納米級(jí)尺度。由于空氣中的主要成分N2和O2的分子碰撞平均自由行程均約為70nm,只要納米孔硅質(zhì)隔熱材料中的SiO2微粒構(gòu)成的微孔尺寸小于這個(gè)臨界尺寸時(shí),材料內(nèi)部便無(wú)對(duì)流傳熱,從根本上阻斷了氣體分子的熱傳遞,從而可獲得比有對(duì)流空氣存在時(shí)更低的導(dǎo)熱系數(shù)。纖維增強(qiáng)發(fā)泡硅酸鹽復(fù)合材料也是一個(gè)重要的發(fā)展領(lǐng)域。(4)建立柔性或半柔性材料稀土可作為單獨(dú)隔熱層使用或?qū)w維作表面處理,能顯著改善隔熱材料綜合性能,是隔熱材料發(fā)展方向之一。由于絕大多數(shù)散熱體做隔熱處理時(shí)都需要將其纏裹或包覆,隔熱纖維材料要求具有良好的曲面貼合適應(yīng)性,因此柔性或半柔性隔熱復(fù)合材料品種將會(huì)有較大的應(yīng)用空間。陶瓷纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維和氧化鋁纖維等也會(huì)有較大的發(fā)展空間,同時(shí),技術(shù)上的成熟度、成本低、無(wú)污染、規(guī)?；a(chǎn)流程簡(jiǎn)單等也是影響各種隔熱纖維材料大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。6影響熱導(dǎo)率的因素?zé)o機(jī)非金屬類隔熱纖維材料在隔熱材料領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,其產(chǎn)品種類多,應(yīng)用范圍廣泛;隔熱材料中的