隔熱材料

隔熱材料

隔熱材料(thermal insulation material),能阻滯熱流傳遞的材料,又稱熱絕緣材料。傳統絕熱材料,如玻璃纖維、石棉、岩棉、矽酸鹽等,新型絕熱材料,如氣凝膠氈、真空板等。

簡介

隔熱材料分為多孔材料,熱反射材料和真空材料三類。前者利用材料本身所含的孔隙隔熱,因為空隙內的空氣或惰性氣體的導熱係數很低,如泡沫材料、纖維材料等;熱反射材料具有很高的反射係數,能將熱量反射出去,如金、銀、鎳、鋁箔或鍍金屬的聚酯、聚醯亞胺薄膜等。真空絕熱材料是利用材料的內部真空達到阻隔對流來隔熱。航空航天工業對所用隔熱材料的重量和體積要求較為苛刻,往往還要求它兼有隔音、減振、防腐蝕等性能。各種飛行器對隔熱材料的需要不盡相同。飛機座艙和駕駛艙內常用泡沫塑膠、超細玻璃棉、高矽氧棉、真空隔熱板來隔熱。

飛彈頭部用的隔熱材料早期是酚醛泡沫塑膠,隨著耐溫性好的聚氨酯泡沫塑膠的套用,又將單一的隔熱材料發展為夾層結構。飛彈儀器艙的隔熱方式是在艙體外蒙皮上塗一層數毫米厚的發泡塗料,在常溫下作為防腐蝕塗層,當氣動加熱達到200°C以上時,便均勻發泡而起隔熱作用。人造地球衛星是在高溫、低溫交變的環境中運動,須使用高反射性能的多層隔熱材料,一般是由幾十層鍍鋁薄膜、鍍鋁聚酯薄膜、鍍鋁聚醯亞胺薄膜組成。另外,表面隔熱瓦的研製成功解決了太空梭的隔熱問題,同時也標誌著隔熱材料發展的更高水平。

氣凝膠氈是新型的隔熱材料,其為納米級孔徑的多孔材料,多用於管道保溫、設備保溫等,該材料的導熱係數常溫為0.018W/(K·m),低溫下可至0.009W/(K·m)。

真空隔熱板是最新的隔熱材料,在國外大受推廣,多用於家電行業等,這種材料的導熱係數極低僅為0.004.所以在保溫節能上面效果突出。   目前國內的冰櫃冷藏貨櫃已經完全使用這種材料

納基隔熱軟氈是一種隔熱性能極強的軟質工業隔熱材料。

原理

熱傳遞在建築物熱量交換中表現為三種方式:傳導熱+對流熱75%。

夏天瓦屋面溫度升高后,大量輻射熱進入室內導致溫度持續上升,工作與生活環境極不舒服。

Dike鋁箔卷材的太陽輻射吸收係數(法向全輻射放射率)0.07,放射熱量很少。被廣泛套用於屋面與牆體的隔熱保溫。

熱能傳播路線(不加隔熱膜):太陽——紅外線磁波——熱能撞擊瓦片使溫度升高——瓦片成為熱源放射出熱能——熱能撞擊現澆屋面使溫度升高——現澆屋面成為熱源放射出熱能——室內環境溫度持續升高

熱能傳播路線(加隔熱膜):太陽——紅外線磁波——熱能撞擊瓦片使溫度升高——瓦片成為熱源放射出熱能——熱能撞擊鋁箔使表面溫度升高——鋁箔放射率極低,放射少量熱能——室內保持舒適的環境溫度。

影響因素

材料類型

隔熱材料(絕熱材料)類型不同,導熱係數不同。隔熱材料的物質構成不同,其物理熱性能也就不同;隔熱機理存有區別,其導熱性能或導熱係數也就各有差異。

即使對於同一物質構成的隔熱材料,內部結構不同,或生產的控制工藝不同,導熱係數的差別有時也很大。對於孔隙率較低的固體隔熱材料,結晶結構的導熱係數最大,微晶體結構的次之,玻璃體結構的最小。但對於孔隙率高的隔熱材料,由於氣體(空氣)對導熱係數的影響起主要作用,固體部分無論是晶態結構還是玻璃態結構,對導熱係數的影響都不大。

工作溫度

溫度對各類絕熱材料導熱係數均有直接影響,溫度提高,材料導熱係數上升。因為溫度升高時,材料固體分子的熱運動增強,同時材料孔隙中空氣的導熱和孔壁間的輻射作用也有所增加。但這種影響,在溫度為0-50℃範圍內並不顯著,只有對處於高溫或負溫下的材料,才要考慮溫度的影響。

含濕比率

絕大多數的保溫絕熱材料都具有多孔結構,容易吸濕。材料吸濕受潮後,其導熱係數增大。當含濕率大於5%-10%時,導熱係數的增大在多孔材料中表現得最為明顯。

這是由於當材料的孔隙中有了水分(包括水蒸氣)後,孔隙中蒸汽的擴散和水分子的運動將起主要傳熱作用,而水的導熱係數比空氣的導熱係數大20倍左右,故引起其有效導熱係數的明顯升高。如果孔隙中的水結成了冰,凍的導熱係數更大,其結果使材料的導熱係數更加增大。所以,非憎水型隔熱材料在套用時必須注意防水避潮。

孔隙特徵

在孔隙率相同的條件下,孔隙尺寸越大,導熱係數越大;互相連通型的孔隙比封閉型孔隙的導熱係數高,封閉孔隙率越高,則導熱係數越低。

容重大小

容重(或比重、密度)是材料氣孔率的直接反映,由於氣相的導熱係數通常均小於固相導熱係數,所以保溫隔熱材料往往都具有很高的氣孔率,也即具有較小的容重。一般情況下,增大氣孔率或減少容重都將導致導熱係數的下降。

但對於表觀密度很小的材料,特別是纖維狀材料,當其表觀密度低於某一極限值時,導熱係數反而會增大,這是由於孔隙率增大時互相連通的孔隙大大增多,從而使對流作用得以加強。因此這類材料存在一個最佳表觀密度,即在這個表觀密度時導熱係數最小。

材料粒度

常溫時,鬆散顆粒型材料的導熱係數隨著材料粒度的減小而降低。粒度大時,顆粒之間的空隙尺寸增大,其間空氣的導熱係數必然增大。此外,粒度越小,其導熱係數受溫度變化的影響越小。

熱流方向

導熱係數與熱流方向的關係,僅僅存在於各向異性的材料中,即在各個方向上構造不同的材料中。

纖維質材料從排列狀態看,分為方向與熱流向垂直和纖維方向與熱流向平行兩種情況。傳熱方向和纖維方向垂直時的絕熱性能比傳熱方向和纖維方向平行時要好一些。一般情況下纖維保溫材料的纖維排列是後者或接近後者,同樣密度條件下,其導熱係數要比其它形態的多孔質保溫材料的導熱係數小得多。

對於各向異性的材料(如木材等),當熱流平行於纖維方向時,受到阻力較小;而垂直於纖維方向時,受到的阻力較大。以松木為例,當熱流垂直於木紋時,導熱係數為0.17w/(m·K),平行於木紋時,導熱係數為0.35W/(m·K)。

氣孔質材料分為氣泡類固體材料和粒子相互輕微接觸類固體材料兩種。具有大量或無數多開口氣孔的隔熱材料,由於氣孔連通方向更接近於與傳熱方向平行,因而比具有大量封閉氣孔材料的絕熱性能要差一些。

填充氣體

隔熱材料中,大部分熱量是從孔隙中的氣體傳導的。因此,隔熱材料的熱導率在很大程度上決定於填充氣體的種類。低溫工程中如果填充氦氣或氫氣,可作為一級近似,認為隔熱材料的熱導率與這些氣體的熱導率相當,因為氦氣和氫氣的熱導率都比較大。

比熱容

熱導率=熱擴散係數×比熱×密度。在熱擴散係數和密度條件相同的情況下,比熱越大,導熱係數越高。

隔熱材料的比熱對於計算絕熱結構在冷卻與加熱時所需要冷量(或熱量)有關。在低溫下,所有固體的比熱變化都很大。在常溫常壓下,空氣的質量不超過隔熱材料的5%,但隨著溫度的下降,氣體所占的比重越來越大。因此,在計算常壓下工作的隔熱材料時,應當考慮這一因素。

對於常用隔熱材料而言,上述各項因素中以表觀密度和濕度的影響最大。因而在測定材料的導熱係數時,必須同時測定材料的表觀密度。至於濕度,對於多數隔熱材料可取空氣相對濕度為80%一85%時材料的平衡濕度作為參考狀態,應儘可能在這種濕度條件下測定材料的導熱係數。、

真空

熱傳導的方式有三種:對流、傳導和輻射。其中對流方式導熱為最重要的。通過真空阻絕了對流導熱係數就大大的降低了,原理就像是熱水瓶一樣。而作為骨架的填充材料可能會通過傳導方式導熱,所以採用導熱係數低的玻璃纖維做骨架。外表加上鋁膜包裝袋對輻射進行阻隔。所以這種材料是導熱係數最小的。

代表材料

鋁箔隔熱卷材概念

Dike鋁箔隔熱卷材,又稱阻隔膜、隔熱膜、隔熱箔、拔熱膜、反射膜等。由鋁箔貼面+聚乙烯薄膜+纖維編織物+金屬塗膜通過熱熔膠層壓而成,鋁箔卷材具有隔熱保溫、防水、防潮等功能。鋁箔隔熱卷材的日照吸收率(太陽輻射吸收係數)極低(0.07),具有卓越的隔熱保溫性能,可以反射掉93%以上的輻射熱,被廣泛套用於建築屋面與外牆隔熱保溫。

導熱係數較低的幾種隔熱材料(按厚度劃分)

1.保溫隔熱紙:FiberGC-10~50系列隔熱紙導熱係數0.027瓦米開,厚度0.4~5mm,白色,紙狀,具有超薄的優勢,常用於IT類小型電子產品以及家電領域,極少用於建築類的保溫隔熱;

2.玻璃纖維棉板/氈:導熱係數0.035瓦米開,厚度3mm~5mm,白色,分硬板和軟氈狀,玻璃纖維結構,用於家電產品、管道等;

3.聚氨酯發泡板(PU/PIR):導熱係數0.02~0.035瓦米開,多色,硬質、脆性,厚度10mm~200mm;

4.離心剝離纖維棉/岩棉:導熱係數一般為0.038瓦米開,厚度30~200mm,黃色,用於建築行業,機房、庫房等;

5.微納隔熱板:導熱係數0.02瓦米開,耐溫較高,多用於高溫環境;

6.氣凝膠氈:常溫下導熱係數0.018W/(K·m),厚度2mm~10mm,白色或藍色,柔性氈,可根據要求定製成硬性板狀材料,適用於設備、管道保溫。

可任意造型的隔熱材料

RFC異形隔熱件。

新型高效乾燥技術

隔熱材料因為其熱傳導性能差,採取傳統熱風乾燥其耗時很長,並且能耗過大,乾燥均勻性較差,而採取微波乾燥技術則繞開了其傳熱性能差的問題,提高了生產效率,符合現代工業生產高效節能環保的要求,解決了傳統隔熱材料烘乾技術用時長,資金周轉較慢,且乾燥不均勻的問題,具體特點有:

● 乾燥過程快捷迅速,幾分鐘完成深度乾燥,可使最終含水量達到千分之一以上;

●乾燥均勻,產品乾燥品質好;

●高效節能,安全環保;

●熱慣性小,加熱的即時性易於控制。

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