真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel，縮寫VIP)是一種新型高效絕熱保溫材料。其特點是導(dǎo)熱系數(shù)低，其表觀導(dǎo)熱系數(shù)比常規(guī)保溫材料低一個數(shù)量級，同時擁有較薄的厚度(一般在15-30 mm)，在制造、使用和用后處理過程中不消耗臭氧層物質(zhì)?？捎糜诒洹⒈?、冷藏箱、冷庫、電熱水器等保溫設(shè)備，不僅增大電器的容積，也降低了能耗，是目前用于“冷藏、冷凍、保溫”等系統(tǒng)最先進、最高效的保溫、隔熱材料。
VIP玻璃微纖維芯材的制造分干法和濕法兩種。濕法成型即采用傳統(tǒng)的玻璃微纖維紙生產(chǎn)技術(shù)，將玻璃微纖維棉打漿，然后抄制烘干成型。該種方法浪費能源，對環(huán)境影響較大，濕法成型的VIP板材在成本上比干法VIP制品要高出近40％，同時濕法VIP制品在導(dǎo)熱性能上比于法制品略差。一般厚度為1～2 mm的濕法VIP芯材導(dǎo)熱系數(shù)為0．0021～0．0023 w／(m．K)，而干法VIP芯材的導(dǎo)熱系數(shù)為0．0019 w／(m．K)。由此可見，VIP用玻璃微纖維干法氈無論是在成本還是性能上都占有優(yōu)勢。
1.VlP的結(jié)構(gòu)分析
干法芯材制作出的真空絕熱板
圖1為VIP的結(jié)構(gòu)示意圖，VIP主要由隔氣層(GasBarrier)，芯材(Core Material)和氣體吸附材料(Getter)3個部分組成。
隔氣層的功能主要是包覆芯材、隔絕外界空氣使VIP保持真空和防止氮、氧及水氣等滲入板材內(nèi)部破壞真空度和降低其絕熱性能。目前多使用含有金屬層的薄膜和多層聚酯基薄膜作為VIP隔氣層材料。
氣體吸附劑的放置主要是為了保證板內(nèi)更好的真空度，吸附由于滲透或材料放氣所產(chǎn)生的多余氣體，滲入板內(nèi)的水氣分子則由干燥劑吸附掉。目前吸氣劑一般采用鋇鋰合金吸收板內(nèi)的氮氣、氧氣和二氧化碳，用氧化鈷或活性炭吸收氫氣。
VIP芯材一般選用多孔隙性材料，如粉狀二氧化硅、氣凝膠、玻璃微纖維或開孔泡沫等材料，其功能主要是結(jié)構(gòu)支撐和減少熱傳導(dǎo)。熱量傳遞一般通過傳導(dǎo)、對流與輻射的方式從熱端傳遞到冷端，任何絕熱材料的絕熱原理及方法都是阻止熱量從一個點傳到另外一個點，因而盡管形成所謂的“絕熱空間”，但是熱傳導(dǎo)過程是一個“熵增”的過程，任何方法都無法避免，只能是盡量弱化與減小。熱傳導(dǎo)主要有芯材本身的固體傳導(dǎo)、殘留氣體傳導(dǎo)以及輻射傳導(dǎo)。因此VIP芯材的選擇必須最優(yōu)化，使得氣體熱傳導(dǎo)、固體熱傳導(dǎo)都達到最小。相比之下，輻射換熱則可以不通過任何介質(zhì)而發(fā)生。當(dāng)輻射能量作用于物體時，可以被反射、穿透或吸收。如果能量被吸收于物體內(nèi)，則物體溫度會升高。通常輻射能量會與空間內(nèi)的物體發(fā)生熱量交換，因而可以通過在板內(nèi)填充多孔芯材的方法增加輻射障礙而減少輻射換熱。通過采取一定措施盡量減弱以上熱量的傳遞方式，可以實現(xiàn)VIP板的優(yōu)異絕熱性能。
2.VIP芯材的分析與選用
通過VIP結(jié)構(gòu)分析及其絕熱機理分析，可知VIP核心技術(shù)為芯材和隔氣層材料。芯材的選擇除了必須滿足支撐作用及本身具有低導(dǎo)熱系數(shù)、能夠有效降低板內(nèi)輻射換熱的要求外，作為VIP板芯材使用的材料來說，還必須具備的特性為開孔結(jié)構(gòu)，以便于氣體抽空，同時微孔的排列應(yīng)該使材料中的結(jié)構(gòu)接觸點盡量少，以減少固體熱傳導(dǎo)。真空環(huán)境下，不同芯材的絕熱性能大不相同，常用芯材在不同氣體壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)變化如圖2所示。
由該圖可見，在抽真空狀態(tài)(真空壓力小于0．1 kPa)時，纖維材料與其他隔熱材料相比，導(dǎo)熱系數(shù)低，具有高熱阻值。下面，我們對VIP玻璃微纖維芯材的制造技術(shù)進行討論。
3.VIP玻璃微纖維芯材干法工藝制造過程
從相關(guān)文獻可知，VIP玻璃微纖維芯材干法工藝流程總結(jié)如圖3所示。
VIP玻璃微纖維芯材干法制造技術(shù)主要流程為吹制玻璃微纖維、集棉、壓縮成型及裁切。首先按配比稱重原料并混合，原料熔化后通過火焰法或離心法生產(chǎn)出纖維，然后集棉形成一定厚度的玻璃棉，最后通過高溫?zé)釅悍绞街瞥伤杩酥氐腣IP芯材。干法制造技術(shù)相對于濕法技術(shù)而言，關(guān)鍵技術(shù)點集中在纖維成形、集棉時的纖維排布以及增加了熱壓成型步驟。
4.VIP芯材用玻璃微纖維生產(chǎn)技術(shù)
玻璃微纖維通常有兩種生產(chǎn)方式：火焰噴吹法和離心噴吹法?；鹧鎳姶捣ㄉa(chǎn)玻璃微纖維直徑最細可達0.1～0.2μm，但纖維直徑分布范圍寬，渣球含量高，產(chǎn)量低，通常單臺爐的日產(chǎn)量在25--100 kg，能耗大；離心噴吹法生產(chǎn)的玻璃微纖維目前最細直徑在1.5μm左右，纖維直徑分布范圍窄，渣球含量相對低，產(chǎn)量高，能耗低，物理性能均一性好。VIP玻璃微纖維芯材要求玻璃微纖維均一性好，渣球含量低，同時考慮到能耗成本，目前市場上的VIP玻璃微纖維芯材基本都采用離心法生產(chǎn)。
分析部分市場樣品，其顯微鏡下的纖維排列如
由圖可見，纖維直徑一般都小于5μm，同時，為了最大程度上減少熱傳導(dǎo)，VIP用干法氈的纖維必須平行排列。玻璃微纖維絕熱材料的纖維直徑對其導(dǎo)熱系數(shù)有較大影響，導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維直徑減小而降低。據(jù)檢測，在一定玻璃微纖維直徑范圍內(nèi)，玻璃微纖維直徑每減小約0．25 μm，其導(dǎo)熱系數(shù)值可降低2.3％。目前市場上的VIP芯材的纖維平均直徑一般都小于5μmm。雖然纖維直徑的降低會提高其絕熱性能，但生產(chǎn)成本也會提高，同時離心法生產(chǎn)直徑較細的玻璃微纖維也存在很多技術(shù)問題需要解決，例如離心頭的孔徑、孔的位置設(shè)計及集棉系統(tǒng)等，因此需要綜合考慮設(shè)計纖維直徑。同時，在VIP芯材生產(chǎn)這方面還有很大的技術(shù)提升空間。
離心法生產(chǎn)VIP用干法玻璃微纖維工藝步驟與普通離心法玻璃微纖維生產(chǎn)過程相向，首先原料按照配比混合后送入熔窯，熔化好的玻璃液經(jīng)料道末端的漏板流出，進入離心器。在高速旋轉(zhuǎn)的離心機帶動下，離心器側(cè)壁甩出的近萬股玻璃細流，在燃燒室產(chǎn)生的高溫高速火焰下玻璃細流被進一步牽伸、切斷成一定長度的纖維。
依據(jù)上文，我們可以看出VIP用干法玻璃微纖維對纖維直徑、長度及纖維排布方向的要求很高，因此在工藝參數(shù)方面較普通離心棉的生產(chǎn)需要有所改進。一般我們可以通過以下兩種方法來生產(chǎn)較細的離心法玻璃微纖維。
(1) 減小離心頭周邊壁的小孔直徑，但容易使玻璃液不易流出，所以對玻璃液粘度及離心頭溫度控制的要求就很高。
(2) 提高火焰束的流速，這對成纖燃燒器的燃燒量控制也提出了很高的要求，合適的火焰溫度才能避免一次纖維變成球狀或環(huán)狀的非纖維形材料形態(tài)。
離心法玻璃微纖維吹制后需進行集棉布氈。由上文可知，VIP芯材需要玻璃微纖維盡可能的平行排列，即減少縱向熱橋效應(yīng)才能降低產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)，因此我公司采用氣流布氈，通過調(diào)節(jié)布棉風(fēng)嘴角度、風(fēng)速及集棉網(wǎng)帶下的真空抽吸風(fēng)量、風(fēng)壓等使玻璃微纖維均勻沉降在集棉網(wǎng)帶上，形成了纖維平行排列且均勻分布的VIP干法氈半成品。
3．2玻璃微纖維芯材壓縮成型技術(shù)
VlP用玻璃微纖維芯材的含水量，膠黏劑含量以及容重等都會對VlP導(dǎo)熱性能產(chǎn)生直接的影響。在選擇壓縮成型技術(shù)的時候，要盡可能的避免引入膠黏劑、水分等，同時也要考慮節(jié)能以及使操作工藝簡單化。
依據(jù)相關(guān)文獻，VlP玻璃微纖維芯材厚度大多在10～20 mm，常用的玻璃棉壓縮成型工藝見表1。
目前，國際上常用的3種壓縮方法如表1l所示。其中浸潤粘結(jié)劑法對熱壓溫度及時間要求不高，并且定型效果好，但由于添加了粘結(jié)劑，增加了玻璃微纖維芯材的熱橋效應(yīng)，會影響其絕熱效果；直接熱壓法則對熱壓溫度和時間都有較高的要求；針刺法無需用水加熱或噴灑無機膠粘劑，能夠較少密封薄層的用量和最小化熱橋作用，降低了芯材的制造費用，還可以防止芯材內(nèi)部產(chǎn)生氣體，但是該方法由LG公司(泰州樂金)申請了專利，其使用有一定的局限性。綜上所述，玻璃棉壓縮成型工藝還有待于進一步的研究開發(fā)及創(chuàng)新。
4結(jié)語
(1) 在經(jīng)濟快速發(fā)展的形勢下，節(jié)能環(huán)保兩大主題顯得越發(fā)重要，VIP材料正是一種高效、環(huán)保的絕熱材料，這種材料具有很大的市場需求，擁有廣闊的市場前景。
(2)VlP的技術(shù)核心為芯材和隔氣層材料，玻璃微纖維芯材具有生產(chǎn)成本低，隔熱效果好的優(yōu)點。分析VlP絕熱機理可知，制造玻璃微纖維芯材需要在最大程度上減少熱橋效應(yīng)，這就對玻璃微纖維棉氈的生產(chǎn)技術(shù)和壓縮成型技術(shù)提出了很高的要求。
(3) 目前廣泛使用的玻璃微纖維生產(chǎn)技術(shù)有離心法和火焰法，對比而言，離心法具有能耗低，玻璃微纖維均一性好的優(yōu)點，更適用于VIP干法氈芯材的生產(chǎn)；而壓縮成型技術(shù)則以直接熱壓法應(yīng)用最為普遍，該種方法在最大程度上減少了熱橋效應(yīng)。
(4) VIP玻璃微纖維芯材在結(jié)構(gòu)上玻璃微纖維需要盡可能的平行排列，纖維長度及直徑均一性要好，同時纖維直徑在2～5 μm范圍內(nèi)越細，其絕熱性能越好。如何在有效的生產(chǎn)成本控制下，利用離心法生產(chǎn)出纖維直徑較細，同時均一性好的玻璃微纖維是芯材制造技術(shù)的關(guān)鍵問題。