巖棉保溫材料熱工性能研究進展

楊佳 邢亮臣 王慧茹 孟輝江 郭丹丹 劉建偉

河北三楷深發科技股份有限公司

關鍵字：巖棉；傳熱機制；導熱系數

1 前言

隨著我國高效快速的發展，能源問題已成為制約經濟發展的重要因素。據統計，建筑能耗占社會總能耗的30%左右[1、2]，成為了社會總能耗的重要組成部分。建筑能耗中，建筑圍護結構損失的熱量占建筑總能耗的70%～80%左右[3]，因此提高建筑的保溫隔熱性能至關重要。巖棉保溫材料是一種常見的無機保溫材料，具有A級阻燃和良好的耐久性，但其導熱系數和吸水率較高，保溫性能相對較差。為降低巖棉的導熱系數，提高巖棉的保溫性能，有許多專家學者分析了巖棉的傳熱機制，并采用多種方式降低巖棉的導熱系數。

2 巖棉傳熱機制研究

巖棉材料熱傳遞主要包括傳導、對流、輻射三大傳熱方式。巖棉保溫材料最大的特征是多孔、多相、多通道結構，屬于典型的纖維集合體。纖維材料傳熱具有其典型的特征，國內外學者針對纖維材料不同的傳熱方式做了大量的研究。

2.1 纖維材料傳導傳熱研究

在纖維固體傳熱中，固體骨架的熱傳導是纖維之間的熱傳導，Strong 等[7]將纖維材料的模型認為是纖維相互搭接的形式，在搭接點處產生熱傳導，該模型與纖維半徑及接觸壓力相關。該模型較為簡單，與實際的纖維堆砌狀態差異較大，且接觸壓力難以測得。Verschoor[8]通過模型得到了纖維通道的熱傳導系數Kf*的經驗公式：Kf*=fmkf，其中kf為單纖維的導熱系數，f為纖維的體積分數，m為纖維種類相關的常數。

在對空氣的熱傳導研究中，Marcussen得[9]到了很準確的熱模型，該模型的計算公式與空氣分子平均自由程、空氣熱傳導特征長度以及纖維直徑等有關。隨后，Lee[10]等人簡化了空氣導熱方程，但是不能準確表達空氣的導熱系數。

材料內部的導熱是空氣-固體骨架熱傳導的綜合作用。Schuhmeister[11]將纖維材料看做是由纖維絲和空氣串聯組成的，采用氣固耦合串并聯模型得到纖維材料的熱傳導表達式。此模型與Verschoor[8]建立的纖維搭接模型相似，但是纖維搭接模型認為熱流在纖維內部呈現非定向狀態，這種假設只有在纖維體積分數較小的情況下成立。Bogaty[12]在建立纖維熱傳導模型時考慮了纖維排列的方向性，Bogaty將纖維排列方向分為垂直于熱流方向和平行于熱流方向，通過計算兩個方向上的纖維的體積分數及導熱系數，得出纖維材料的綜合傳熱系數。三位學者雖然在一定程度上建立了纖維材料熱傳導的模型，但是都在一定程度上忽略了纖維在材料中的實際排列狀態，忽略了纖維的實際取向問題。Stark 和Frickle[13]綜合考慮了纖維的取向問題，并建立了導熱機制模型，但是Stark 和Frickle 建立的模型卻認為纖維保溫材料是各向同性的，使得導熱機制模型具有一定的局限性。Langlais[14]認為纖維材料導熱系數只與材料的溫度和密度有關，該公式同樣考慮了纖維之間的接觸問題。Woo 等[15]綜合考慮了纖維材料的各向異性和纖維材料的排列狀態對材料綜合傳熱系數的影響，雖然Woo建立的模型能夠更加精確地反應纖維材料的綜合傳熱系數，但是該模型中大多數參數不易獲得，因此模型并未廣泛應用。Daryabeigi[16]認為固體纖維與空氣的熱阻由串聯組成，并建立了模型。模型及參數比較簡單，因此后來的一些研究人員一般會采用此類型的模型來進行研究。

2.2 纖維對流傳熱的研究

當流體的各部分之間存在溫度梯度，且流體之間存在宏觀上的相對位移時，冷熱空氣發生相互交換的同時熱量發生傳遞，這個過程就是對流。對于纖維材料對流傳熱理論研究可分為兩類：第一類是由外界提供動力，使氣流之間發生宏觀運動從而產生熱量交換；第二類是由于氣流內部溫度梯度提供動力，使氣流之間發生宏觀運動從而產生熱量交換。

對于纖維集合體第一類對流傳熱的研究，Vafai 和Tiem[17～19]同時研究了不透氣邊界和變化孔洞條件下，纖維多孔材料內對流傳熱的規律。Langlais、Arquis和McCaa[20]控制保溫隔熱材料頂部橫向氣流存在與否，改變保溫隔熱材料內部的溫度梯度和透氣率，研究保溫隔熱材料內部的對流傳熱，并與實際情況進行對比。研究發現保溫隔熱材料頂部是否存在橫向氣流對材料的對流傳熱起決定性作用。Fan等[21]從理論和實踐兩方面研究了纖維保溫材料表面和大氣之間存在熱對流的熱傳遞性質。目前關于纖維多孔保溫材料熱對流的研究主要集中在實驗研究方面，理論研究主要為纖維保溫材料表面與外界之間的對流換熱，而關于纖維保溫材料內部對對流傳熱的影響研究卻很少。

對于纖維集合體第二類對流傳熱又叫做自然對流，纖維集合體內部是否發生自然對流取決于纖維集合體內部溫度梯度、體積密度、材料厚度以及纖維集合體內部介質的物理性質。Burns和Tine[22]研究分析了自然對流對纖維保溫材料綜合熱傳遞的影響及所占百分比，研究表明當大氣壓低于105N/m2，溫度低于1000K，纖維保溫材料的孔隙率小于0.95，厚度小于5cm時，纖維多孔保溫材料內部的自然對流可忽略。但是壓力升高到107N/m2時，自然對流對綜合傳熱的影響增大，這一結論也得到了實驗的驗證。因此，在正常大氣壓下，纖維多孔保溫材料對流傳熱可忽略。

2.3 纖維材料輻射傳熱的研究

熱輻射本身是一種電磁波，也是唯一一種非接觸的換熱方式。Verschoor[8]，Strong[7]和Bankvall[23]假設纖維保溫材料中輻射熱通過纖維進行傳遞，并且將每一層的纖維看成吸收表面和發射表面，連續每層的熱量綜合為總輻射量，從而計算出纖維保溫材料的總輻射導熱系數。Strong[7]和Davies 等[24]認為輻射熱是能穿過不同體積的纖維，因此不是通過纖維層間傳輸的，Strong[7]和Davies等[24]利用光學原理研究得到纖維保溫材料的輻射熱傳導公式。

2.4 纖維材料綜合傳熱機制

上述研究是對于三種傳熱方式分別建模，也有部分專家學者研究了綜合傳熱機制模型。對于纖維保溫材料綜合傳熱機制的研究大多數忽略了對流傳熱，而是輻射傳熱和傳導傳熱綜合傳熱模型。Lee[27]認為在低密度纖維集合體內總的導熱系數等于空氣導熱系數和輻射導熱系數總和，該模型整合了經驗公式和輻射公式，此公式考慮了溫度、厚度和密度對傳熱的影響。Fanworth[28]利用雙向熱流法，建立了纖維保溫材料傳熱機制模型。該模型綜合考慮了纖維保溫材料對熱輻射的吸收和發射，但忽略了熱輻射的散射作用。Daryabeigi[29]提出纖維保溫材料的高溫傳熱模型，此模型僅可用于一維各向同性的多孔材料。劉讓同[30]研究了無規則纖維保溫材料的內部通道的導熱系數，他認為熱量通過纖維通道的長度與纖維層厚度不相等，此模型與國外Verschoor 的相似。ZHAO 等沿用Verschoor方法研究了纖維集合體高溫隔熱性能。

3 巖棉保溫材料熱工性研究

巖棉導熱系數高、保溫性能差的特點是目前巖棉在保溫材料行業競爭中的劣勢，如何降低巖棉的導熱系數，提高巖棉的保溫性能是目前巖棉材料專家學者們研究的核心。為降低巖棉的導熱系數，目前研究比較多的方向為降低巖棉的吸水率、控制巖棉的容重和制備巖棉復合材料。

3.1 巖棉吸水率

韓長軍等[31]人利用擺錘法制備不同密度的巖棉板，各種密度的巖棉板在150℃下檢測其導熱系數，實驗結果發現巖棉的導熱系數隨著密度的增加先增加后減小，當巖棉的密度為80kg/m3時，巖棉的導熱系數最低。張昭瑞等[32]人指出巖棉板的吸水率在一定程度上受生產工藝的影響。巖棉板的生產工藝包括打褶法、擺錘法、沉降法等，打褶法生產的巖棉板吸水率比擺錘法生產的巖棉板吸水率低，擺錘法生產的巖棉板的吸水率比沉降法生產的巖棉板的吸水率低。采用合理的生產工藝能夠有效地降低巖棉的吸水率從而降低巖棉的導熱系數，提高巖棉的保溫性能。巖棉板的生產工藝在一定程度上影響巖棉的吸水率，擺錘法生產的巖棉板的吸水率比沉降法生產的巖棉板的吸水率要低，打褶法生產的巖棉比擺錘法生產的巖棉的吸水率低，

3.2 巖棉密度

賈濡東等[33]人利用光敏劑引發聚磷酸銨在異丙醇的水溶液中的聚合反應以改性巖棉，通過研究聚磷酸銨、光敏劑的含量以及異丙醇的濃度對聚丙烯接枝率的影響，進一步研究其對巖棉吸水率和阻燃性能的影響。結果表明聚磷酸銨單體濃度為4.8%、光敏劑為0.4%、異丙醇濃度為0.2g/L 時，接枝率達到最大值，并且巖棉的疏水性及阻燃效果都得到了明顯提升。劉建[34]等人提出隨著巖棉密度的增加，巖棉內孔徑縮小，而孔徑縮小會降低由對流產生的熱損失，導熱系數因此降低。但是當巖棉密度增加到一定程度時，巖棉內部對流傳熱越來越不明顯，由對流產生的熱損失可忽略不計，此時巖棉的導熱系數最低。如果繼續增加巖棉的密度，孔徑將繼續減小，巖棉的導熱系數則開始提高。

3.3 制備巖棉復合材料降低巖棉導熱系數

提高巖棉保溫性能的方法除了降低巖棉的吸水率和控制巖棉的密度以外，還可以添加改性劑與巖棉復合，以降低巖棉的導熱系數。熱量傳遞主要包含熱傳導、熱輻射和熱對流三種方式，通過添加改性劑的方式降低巖棉的導熱系數需要有針對性的選取改性劑。目前，常見的改性劑為鋁箔和SiO2氣凝膠。鋁箔復合能夠有效降低熱輻射損失，提高熱能設備的熱效率。SiO2氣凝膠由于其特殊的空間網絡狀結構，本身具有較低的導熱系數，利用SiO2氣凝膠低導熱系數的特征，能夠有效的降低巖棉的導熱系數。

陳攻等[35]人利用鋁箔反射紅外線，降低巖棉的輻射熱傳導的原理，將鋁箔粘結在保溫板的表面，然后將保溫板加工成鋸齒狀，在25℃、150℃、350℃、500℃、650℃溫度下測試巖棉板和巖棉/鋁箔復合保溫板的綜合傳熱系數，結果發現隨著溫度的提高，巖棉鋁箔復合材料的綜合傳熱系數相較于巖棉的綜合傳熱系數降低率越來越高，當熱工設備在600℃時，巖棉/鋁箔復合保溫板的綜合傳熱系數降低了20%。2014 年韓國LG Hausys 公司研發了一種以巖棉為芯材，熱塑性聚合物薄膜和鋁膜為包覆層的真空絕熱復合材料，此復合材料具有比玻纖作芯材時更好的隔熱性能，且成本較低，包覆材料不易被破壞，導熱系數為0.0035W/（m2·K）～0.0047W/（m2·K），但其生產成本高，耐久性能差。針對巖棉材料面臨的問題，目前急需開發一種適合于工業生產，并且能夠有效降低巖棉板導熱系數的改性方法。姚鵬[36]將SiO2氣凝膠作為改性劑，對傳統的無機保溫材料進行改性，將SiO2氣凝膠、KH550以及酒精混合制備出改性劑，通過浸潤的途徑將SiO2氣凝膠復合于無機保溫材料中，研究SiO2氣凝膠的質量分數對無機保溫材料的影響。研究表明隨著SiO2氣凝膠質量分數的增加，無機保溫材料的導熱系數逐漸降低。孫達[37]利用酸性硅溶膠為硅源，以巖棉板作為支撐體，制備巖棉/氣凝膠復合材料，結果顯示巖棉/氣凝膠復合材料在20℃時的導熱系數為0.015W/（m·K），相較于巖棉板的導熱系數降低了62.5%，大大降低了巖棉的導熱系數。

4 結論

目前，針對巖棉熱工性能的理論研究比較完善，巖棉熱工改性研究主要集中在降低巖棉的吸水率、控制巖棉的密度和添加改性劑制備巖棉復合材料等方面。降低巖棉的吸水率和控制巖棉的密度在一定程度上降低了巖棉的導熱系數，但是巖棉的導熱系數仍然較高。添加改性劑制備巖棉復合材料，雖然能夠有效的降低巖棉的導熱系數，但是工業生產困難，并且生產成本較高，制約了巖棉復合材料的發展。因此，仍需對巖棉熱工性能進行進一步的研究。