玻璃纖維真空祛濕研究

湯偉，韓厚德，闞安康

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

0 前言

真空絕熱板(vacuum insulation panel)是近年來開發和研制的一種絕熱材料，其結構主要由芯部的隔熱材料(insulating material)，氣體吸附材料(getter)和封閉的隔氣結構(barrier)組成［1］。其是通過最大限度提高多孔介質芯層絕熱材料真空度及降低芯材導熱系數而實現隔絕熱傳導，是目前世界上較先進的高效保溫材料［2］。由于VIP高效的絕熱、節能等特性，國內近幾年已開始運用于各種領域，如建筑圍護結構、冰箱隔熱層、蓄冷冷藏箱及航空航天等領域，并取得了良好的效果。

目前真空絕熱板制作預處理的方法是加熱烘烤祛濕法，但單一的加熱祛濕并不能最大限度除去芯材內部殘余水分。因此基于玻璃纖維芯材，通過間接式加熱與抽真空方式對VIP 作實驗研究，通過不同祛濕方式實驗對比，研究真空祛濕方式的優越性。

1 真空度變化主要原因

1.1 材料殘余水分

多孔材料內部水分子的粘附性、材料內部空隙的包裹作用等，短時間烘烤處理并不能完全去除水分，內部由于處于低真空狀態，當處于大溫差下時，未除去的殘余水分會逐漸閃發成水蒸氣。有研究表明，相同壓力下，單位體積的液態水變為氣態時，體積增加600 倍［3］。

隨著時間延長，在存在溫差的條件下越來越多的水分蒸發，玻璃纖維為開孔連通材料，水蒸氣在空隙內部自由流動，發生對流傳熱增強傳熱，同時氣態水的自由分子導熱系數約為氮氣的1.6 倍、氧氣的1.7 倍［4］。當傳熱系數達到一定極限值時認為VIP 絕熱失效，此極限有效傳熱系數通常規定為0.008 W/mk［5］。

1.2 滲漏［6］

通常的隔氣結構由聚合物和金屬復合膜制成，氣體主要由熱封邊緣及封裝材料表面滲入。熱封層由LDPE(low density polyethylene)和LLDPE(linear low density polyethylene)組成，氣體沿著橫向由熱封層滲透內部，通過此方式滲透的壓力方程可表示為:

其中:L 橫截面周長(m);W 熱封邊緣寬度(m);Ru通用氣體常數(J/molK);d 厚度(m);t 時間(t);Pi，atmi 氣體的大氣分壓力(Pa);Ki，edge封邊氣體滲透率(cm3cm/cm2sPa)。通過封裝袋小孔滲入而引起壓力上升，其與時間關系可表示為:

Ki，eff為表面氣體滲透率(m3(STP)/m2·S);A 為表面積(m2)。在現有的技術下，一般薄膜的H2O 滲透率數量級約為10－12(m3(STP)/m2·S)，而這部分對于芯材內部壓力的影響是甚微的，因此在短期內可以忽略不計。

1.3 結晶水

玻璃纖維的主要成分為二氧化硅、硅酸鹽等，其通常存在硅酸鹽結晶水成分AlxCay(SiO3)z·nH2O，若使用傳統單一加熱的方式并不能最大限度地去除，因此在應用過程中，當VIP 在大溫差條件下，存在以下可逆化學反應［7］:

以上化學反應方程式在大溫差下，由于水分在真空條件下沸點降低，水分蒸發且化學反應向著正方向進行，體積持續膨脹使得VIP 內部壓力增大，致使VIP 絕熱效果降低，同時縮短了其使用壽命，

2 真空祛濕實驗研究

2.1 真空祛濕原理

真空祛濕方式主要是對芯材在烘烤除濕的基礎上，通過抽真空的方式對芯材加以處理。采用間斷式加熱與抽真空方式對玻璃纖維芯材進行處理，玻璃纖維放在烘烤箱烘烤除濕，一定時間后關閉加熱源，開始抽真空，達到600 Pa 以下壓力后關閉真空泵，由儲氣罐放入經干燥后的干空氣，干燥氣體含濕量較低不會使芯材二次吸濕且能夠吸濕干燥芯材，如此反復若干次試驗。玻璃纖維芯材在烘烤過程中蒸發部分水分，由于加熱只是降低了空氣的相對濕度，但含濕量并未降低，因此通過抽真空使得殘余液態水分蒸發并被抽取排除。反復加熱并抽真空使得內部的結晶水及附著在芯材上的殘余水分可以不斷蒸發排除，從而達到高效的干燥效果。

盡管對芯材祛濕特性進行了很多研究，但由于其復雜的熱濕機制、微觀的無序性及不同芯材的特性，很難準確預測，因此通過實驗的方法對目標芯材(玻璃纖維)進行真空祛濕研究。

2.2 真空祛濕實驗

實驗裝置主要是由格蘭仕(型號)改造而成，主要有烘烤箱、真空設備及電子天平、熱電偶及控制箱等裝置。

烤箱設定溫度及烘烤時間，玻璃纖維芯材通過烘烤祛濕可去除大部分水分;電子稱精度為0.01 g，烘烤及抽真空后，置于電子稱上測量質量;設定真空設備相應參數，真空度達到600 Pa 以下即可。

實驗通過烘烤和抽真空，并分別測量其重量變化來判斷芯材祛濕狀況，即烘烤后測量質量并記錄，再抽真空后測量質量并記錄。實驗分三次測量，每次均記錄數據，當最后兩次質量基本保持不變時，可判斷水分基本祛除，否則重復實驗步驟，直到質量基本不變。實驗基本數據:環境溫度19.4 ℃，濕度75.3%，抽真空時間25 min。實驗記錄數據如表1 所示。

表1 真空祛濕實驗數據記錄

由表中可看出，第二步與第三步質量沒有變化，說明內部水分基本除完。雖然從數據中可知抽真空質量變化較小，但其對真空度的影響是不可忽視的，在同一壓力下體積可膨脹600 倍，使得VIP 真空環境受到極大破壞，降低VIP 的使用壽命，所以抽真空不僅可以去除水蒸氣且能夠使殘余水分蒸發。通過真空祛濕的方式處理玻璃纖維芯材，可以更大限度地除去芯材內部的水分，保證VIP 具有更長的實驗壽命。

圖1 分別為采用單純烘烤法(b)和采用真空祛濕法(a)處理的芯材，在6 個月后的對比。

圖1 兩種方法祛濕對比

從圖1 可知，圖1(b)為傳統單一烘烤祛濕6 個月后玻璃纖維芯材VIP 已經膨脹起來，說明內部有大量氣體產生;圖1(a)為真空祛濕處理6 個月后的VIP 板，可以看出其依然完好如初。所以采用真空祛濕法對玻璃纖維芯材進行干燥處理可達到較好的干燥效果，后期能保證較長的使用壽命。真空祛濕可以更高效的去除芯材內水分，保證最大限度地除去芯材內部殘余水分。

3 結論

盡管VIP 高效的絕熱性能可以應用于多方面領域，但傳統單一烘烤祛濕法并不能最大限度地去除內部水分，一段時間后殘余水分將對VIP 傳熱性能產生極大影響，降低其壽命。真空祛濕在芯材干燥方面具有獨特的優點，極大限度地祛除內部殘余水分，保證絕熱板的真空度，提高VIP 絕熱性能及使用壽命，對實際應用具有很大的參考價值。

［1］T G Kollie，D L McEiroy，H A Fine，etc.A Review of Vacuum Insulation Research and Development in the Building Materials Group of the Oak Ridge National Laboratory［C］.ORNL/T M2 11703，September 1991.

［2］http://baike.baidu.com/view/3065508.htm.

［3］Pitchumani R，Yao S C.Correlation of Thermal Conductivities of Unidirectional Fibrous.

［4］耿進良，韓厚德，闞安康，等.真空絕熱板絕熱特性研究［J］.節能，2010，(12):26-27.

［5］Ruben Baetens，Bjφrn Petter Jelle，Jan Vincent Thue，Martin J.Tenpierik，Steinar Grynning Sivert Uvslφkk，Arild Gustavsene.Vacuum insulation panels for building applications:A review and beyond［J］，Energy and Buildings，2010，(42):147-172.

［6］Jae-Sung Kwon，Choong Hyo Jang，Haeyong Jung，Tae-Ho Song，Energy and Buildings，2010，(42):592-596.

［7］Henderson，E.1;Bailey，J.E.SHEET-LIKE STRUCTURE OF CALCIUM SILICATE HYDRATES，1988，2(23):502-503.

［8］L.F.Giraldo，L.Lo'pez，L.Pe'rez，S.Urrego，L.Sierra，M.Mesa，Mesoporous silica applications，Macromolecular Symposia 258 (2007)123–138.