氣凝膠紙蜂窩夾層板的隔熱性能

孫 莜 王冬梅

柏子游1 朱 宏1

1. 深圳職業技術學院

傳播工程學院

廣東 深圳 518055

2. 西安理工大學

印刷包裝與數字媒體學院

陜西 西安 710048

1 研究背景

氣凝膠作為一種多孔功能性材料，其孔隙大小為1～100 nm，孔隙率、比表面積分別高達99.8%和1000 m2/g，密度低至0.03 g/cm3。氣凝膠孔隙中充斥大量氣體介質，因而具有優良的保溫隔熱性能[1-3]。

氣凝膠保溫隔熱性能優異，且在高溫下性能穩定；但純氣凝膠具有強度低、易脆、不易成型等缺點。為了解決其力學性能差的問題，國內外許多學者采用加入增強纖維和遮光劑等方法，對其進行改良。Yang F. 等[4]利用靜電紡絲和冷凍干燥技術，制備了超疏水可壓縮納米纖維復合氣凝膠，該氣凝膠在室溫下導熱系數為0.031 W/(m·K)，即使在100%濕度、80 ℃的高溫高濕環境中，仍顯現出0.048 6 W/(m·K)的低導熱系數。Hung W. C. 等[5]選擇玻璃纖維和碳纖維作為增強性材料，通過溶膠-凝膠法制備了由3層纖維組合的氣凝膠復合材料，該復合材料的導熱系數為0.031 W/(m·K)，同時具有較高（2.846 MPa）的抗彎強度。徐凜等[6]利用硅酸鋁纖維、Al2O3纖維、莫來石纖維作為增強性骨架，制備了3種纖維增強氣凝膠隔熱復合材料，即使在1100 ℃的高溫下，其導熱系數也只有0.065 W/(m·K)。

目前冷庫、建筑墻體的保溫層主要使用聚氨酯泡沫板。由于配方與加工工藝的不同，聚氨酯泡沫板的保溫隔熱效果有差異但都不理想；而且聚氨酯泡沫等無法降解的材料在生產、使用和廢棄后都會對環境造成嚴重污染。

氣凝膠復合材料雖然具有導熱系數低、孔隙率高等優點，但是不具備良好的承壓性能。紙蜂窩的質量輕，可回收處理，是作為一種環保型材料，在隔音、隔熱、自重、承壓等方面都具有明顯優勢[7-10]。因此，本課題組本文設計出以紙蜂窩作為夾層，兩側復合氣凝膠復合材料的夾層板，并對其性能進行研究，以期得到一種可用于大型建筑墻體的具有較好保溫、隔熱、承壓效果的材料。

2 實驗

2.1 材料與儀器

1）材料

氣凝膠氈（玻璃纖維氣凝膠復合材料），AGF300，厚度分別為10, 15, 20 mm，深圳中凝科技有限公司；

聚氨酯泡沫（B1級聚氨酯泡沫），密度為40 kg/m3，河北鑫源保溫建材公司；

紙蜂窩（由面紙和芯紙組成），具體參數如表1所示，惠州錦旺包裝環保包裝材料有限公司。

表1 紙蜂窩基本參數Table 1 Basic parameters of honeycomb paperboard

2）儀器

恒溫恒濕箱，LB-CB80，深圳藍博儀器檢測有限公司；

導熱系數測試儀，DRPL-III，湘潭湘儀儀器有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 試樣制作

以紙蜂窩做夾層，上下各附著一層氣凝膠復合材料制作成復合結構的氣凝膠紙蜂窩夾層板，如圖1所示。再將氣凝膠復合材料、具有不同參數的紙蜂窩和氣凝膠復合材料作成的夾層板、聚氨酯泡沫都裁剪成尺寸為200 mm×200 mm的試樣。

圖1 氣凝膠紙蜂窩夾層板Fig. 1 Aerogel paper honeycomb sandwich panel

2.2.2 導熱系數測定

在不同環境中，材料的導熱性能和力學性能不同。在潮濕環境下，夾層復合材料吸濕嚴重，導熱性能會受嚴重影響，力學性能也會大幅度降低[11-12]。因此，在測定導熱系數前必須對試樣進行預處理，具體操作步驟如下：

1）將所有待測試樣放置于恒溫恒濕箱中，在23℃、80%濕度下處理24 h。

2）采用導熱系數測試儀測量試樣的導熱系數。冷板設置為10 ℃，熱板設置為35 ℃，由儀器自帶數據處理系統計算并顯示所測試樣的導熱系數。

3 實驗結果與分析

許多文獻研究了SiO2氣凝膠復合材料的制備和隔熱保溫性能，其中王教方等[13]對多層復合材料導熱系數測定方法的研究表明，若多層復合材料的導熱系數分別為λ1,λ2, … ,λn，厚度分別為h1,h2, … ,hn，其總厚度為H，等效導熱系數為λ，則根據熱阻理論的定義得

從理論上說，氣凝膠紙蜂窩復合材料的隔熱性能，可分別測試氣凝膠復合材料與紙蜂窩的導熱系數，按照導熱系數變化規律，選擇最低的導熱系數代入公式（1）即可獲得兩種材料復合的夾層板最低導熱系數。下面分別研究紙蜂窩與氣凝膠復合材料的導熱系數。

3.1 紙蜂窩導熱系數

在預實驗時，發現紙蜂窩的參數，即厚度和孔徑不同，其導熱系數相差較大，因此分別以紙蜂窩厚度與孔徑為變量進行單因素試驗。

3.1.1 厚度對紙蜂窩導熱系數的影響

為研究紙蜂窩厚度對導熱系數的影響，在保證面紙克重與芯紙克重不變的情況下，對不同厚度的紙蜂窩導熱性能進行對比。對取自恒溫恒濕箱23 ℃、80%濕度環境中，孔徑為10 mm，厚度分別為10,20, 30, 40 mm的紙蜂窩進行測試，測試結果如圖2所示。

圖2 紙蜂窩的導熱系數與厚度關系曲線Fig. 2 The relationship curve between the thermal conductivity of paper honeycomb and its thickness

由圖2可知，紙蜂窩的導熱系數隨厚度的增加而增大，即紙蜂窩的厚度越小，紙蜂窩的隔熱性能越好。

3.1.2 孔徑對紙蜂窩導熱系數的影響

同樣，為研究紙蜂窩蜂窩孔徑對導熱系數的影響時，在保證面紙克重與芯紙克重不變的情況下，對不同孔徑大小的紙蜂窩導熱性能進行對比。對取自恒溫恒濕箱23 ℃、80%濕度環境中，蜂窩厚度為10 mm，蜂窩孔徑為6, 8, 10, 12 mm的紙蜂窩進行測試，測試結果如圖3所示。

圖3 紙蜂窩的導熱系數與孔徑關系曲線Fig. 3 The relationship curve between the thermal conductivity of paper honeycomb and the aperture size

由圖3可知，紙蜂窩導熱系數隨其孔徑增大而增大，即紙蜂窩的孔徑越小，紙蜂窩的隔熱性能越好。相比于實心紙板，紙蜂窩內部存在大量干燥氣體，干燥氣體的導熱系數遠低于固體，因此蜂窩結構具有一定的隔熱優勢。

由圖2和圖3可以看出，紙蜂窩的導熱規律與一般均勻材料的導熱變化規律相反。主要是因為當蜂窩板的孔徑較小時，其蜂窩孔徑內部不會產生熱對流或對流傳熱極小，故蜂窩孔徑內的對流傳熱幾乎可以忽略。此時，紙蜂窩的傳熱過程主要由材料的熱傳導和蜂窩孔之間的輻射傳熱組成。因此，蜂窩孔徑越小，紙蜂窩導熱系數越小[14]。

綜上，在復合紙蜂窩與氣凝膠復合材料時，應優先選擇厚度薄、孔徑小的紙蜂窩。

3.2 氣凝膠復合材料導熱系數

在氣凝膠復合材料的熱傳導過程中，氣體傳熱與固體傳熱占主導地位，根據傅里葉方程[15-17]，得到氣凝膠復合材料的導熱系數公式為

式中：Q為溫度差導致的熱量變化；

S為面積；

ΔT為溫差；

h為厚度。

由式（2）可知，在面積、冷熱板溫差等條件相同的情況下，材料的厚度是影響導熱系數的重要因素。因此，本文選擇厚度作為變量，測試氣凝膠復合材料的導熱系數，尋求氣凝膠復合材料的最佳厚度，使其與紙蜂窩的復合夾層板隔熱性能最優。測試結果如圖4所示。

圖4 氣凝膠復合材料的導熱系數與厚度關系曲線Fig. 4 The relationship curve between the thermal conductivity of aerogel composite and its thickness

從圖4可以看出，隨著氣凝膠復合材料厚度的增加，導熱系數整體呈波浪式增大的變化趨勢，導熱系數與厚度沒有呈現明顯的線性關系，無法確定其最佳厚度。

3.3 氣凝膠紙蜂窩夾層板導熱系數

由3.1和3.2節中的測試結果可知：紙蜂窩導熱系數的變化規律是，厚度、孔徑越小，導熱系數越小。而氣凝膠復合材料的導熱過程涉及到熱傳導、熱對流和熱輻射3種傳熱方式，不能直接測得導熱系數的變化規律，無法選擇氣凝膠復合材料的最低導熱系數并應用于公式（1），因此在氣凝膠紙蜂窩夾層板的隔熱性能探究中，需對該夾層板進行導熱系數測試。此時，紙蜂窩的參數不再作為變量，直接選擇導熱系數最小的厚度為10 mm、蜂窩孔徑為6 mm的紙蜂窩作為夾層，僅改變氣凝膠復合材料厚度進行測試試驗。

考慮到在實際應用中，冷庫保溫層使用的聚氨酯泡沫每層厚度大約為25～38 mm，因此只測定10 mm+10 mm、15 mm+10 mm、20 mm+10 mm這3種組合結構，即紙蜂窩厚度為10 mm不變，氣凝膠復合材料的厚度分別為10, 15, 20 mm。測試結果如圖5所示。

圖5 氣凝膠紙蜂窩夾層板的導熱系數與氣凝膠厚度關系曲線Fig. 5 The relationship curve between the thermal conductivity of aerogel paper honeycomb sandwich panel and thickness of the aerogel

從圖5可以看出，氣凝膠紙蜂窩夾層板的導熱系數大體上隨氣凝膠復合材料厚度的增加而增大，當氣凝膠厚度為10 mm和15 mm時，夾層板的導熱系數低于0.03 W/(m·K)，滿足我國冷庫保溫材料使用標準的要求。

3.4 氣凝膠紙蜂窩夾層板與聚氨酯的導熱性能比較

聚氨酯泡沫材料導熱系數的理論值為0.021 W/(m·K)，但作為一種多孔發泡型材料，聚氨酯的導熱系數與其材料配比、發泡溫度有直接關系[18]，而且在冷庫等濕度較大的環境中，其導熱系數會因吸水而增大。

在施工過程中，每層聚氨酯泡沫噴涂厚度控制為25～38 mm，通常聚氨酯泡沫的計算導熱系數取0.031 W/(m·K)。

為比較氣凝膠紙蜂窩夾層板與聚氨酯泡沫板的導熱性能，對厚度分別為20 mm和30 mm兩種材料的導熱系數進行測定，結果如圖6所示。

圖6 氣凝膠紙蜂窩夾層板與聚氨酯泡沫板導熱系數對比Fig. 6 Comparison of thermal conductivity between aerogel paper honeycomb sandwich panel and polyurethane foam panel

由圖6可知，無論厚度是20 mm還是30 mm的兩種保溫隔熱板，氣凝膠紙蜂窩夾層板的導熱系數均低于聚氨酯泡沫板的。換而言之，在同等隔熱性能下，聚氨酯泡沫保溫層厚度要更大，因此氣凝膠蜂窩夾層板復合材料相較聚氨酯泡沫還可增加冷庫庫容，節省建筑面積。

4 結論

本文對氣凝膠紙蜂窩夾層板的隔熱性能進行了研究，可得如下結論：

1）玻璃纖維氣凝膠復合材料的導熱系數約為0.022 W/(m·K)，紙蜂窩的導熱系數約為0.060～0.110 W/(m·K)，聚氨酯的導熱系數約為 0.035 W/(m·K)。

2）在厚度為10 mm、孔徑為6 mm的紙蜂窩上下兩側，附著厚度為10～15 mm玻璃纖維氣凝膠復合材料所制得的氣凝膠紙蜂窩夾層板，其導熱系數為0.028～0.030 W/(m·K)，符合我國冷庫墻體保溫層材料的使用要求。因此，在保溫隔熱領域，完全可以選擇由氣凝膠紙蜂窩夾層板來替代現有的聚氨酯泡沫保溫層。