隔热纤维材料的隔热性能

隔热纤维材料的隔热性能

1阻燃整理用纤维材料随着人类面临的能源危机越来越严重，开发新能源、减少能源浪费尤其重要。隔热材料引起了每个方面的关注。隔热材料种类有很多,如珍珠岩、蛭石、硅藻土、浮石、火山灰、沸石、硅酸钙等,而隔热纤维材料有着其他材料无法替代的优点。隔热纤维材料是一种减缓由传导、对流、辐射产生热流速度的材料或复合材料,绝大多数为硅酸盐类矿物材料。隔热纤维材料具有以下优点:易制成多孔材料,纤维集合体具有较高的孔隙率和较小的容重;纤维本身具有一定的拉伸强度,其制品的抗拉、抗压和抗折强度高;纤维制品的成形和使用方便,其对曲面的贴合适应性较好;对材料的参数可以进行控制设计;纤维材料可与其他材料进行复合、部分复合或组合,共同发挥隔热作用。隔热纤维材料主要有石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝纤维、高硅氧纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等。其中石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝纤维等已在传统工业中大量应用,高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维和陶瓷纤维等在特种工业中发挥着重要作用。2海淡行业隔热材料热导率的要求隔热纤维材料主要由固体基质和气孔组成,且固体基质和气孔为连续相。传热的基本方式主要有热传导、热对流和热辐射。材料的隔热机理可用导热微观理论加以解释,有效热导率的数值一般介于构成隔热材料的固体相热导率和气体热导率之间,它取决于隔热材料的结构、气孔率和组成隔热材料固、气相材料本身的性质。隔热纤维材料一般可对固相、气相和液相以及辐射传热共同起作用。湿度是影响隔热纤维材料热导率的一个很重要的因素,受外部条件影响很大。由于水的热导率约为空气的25倍,冰的热导率更大,所以隔热纤维材料吸水或吸湿后的热导率将会大幅度增加。液相传热的外在条件是地下水的存在、雨雾天气以及空气中的水分(即空气相对湿度)等,液相传热的内在因素是材料本身具有的吸湿性和纤维集合体的毛细管效应等。大多数的隔热纤维材料需要覆盖一层铝箔薄膜,用以减少或阻隔辐射热的传递。在高温状态下,无湿热传递现象,更高温度下,部分固相可直接升华为气相态。容重、孔隙率和热导率为隔热纤维材料的基本参数。容重是指单位外形体积隔热纤维材料的质量,孔隙率是指整个隔热纤维材料外形体积中气孔所占的体积分数。根据Fourier传热定律对有效热导率进行控制设计是优化隔热纤维材料隔热性能的主要手段之一。对于纤维状隔热材料而言,分为与纤维方向平行的热导率和与纤维方向垂直的热导率,且前者要比后者大很多。在工程实际中,对于垂直型散热面或垂直型热流管道的隔热纤维材料的铺放,需要对纤维的铺设方向进行专门设计,由于热流的释放方向是垂直向上的(热湿气流方向),因此,纤维在铺设时不仅要与散热面平行,同时还要与地面平行,使热流散失方向与纤维方向尽量垂直,使有效热导率最低。同理,对水平管道的纤维网包缠或纤维隔热预制件包覆,应保证有一定量的纤维与管道保持平行,以使热流散失方向与纤维方向成垂直状态。实际中多采用纤维毡的纤维方向杂乱,介于垂直和平行之间,可以取纤维平行排列热导率和垂直排列热导率的中间值,因此影响并不显著。影响隔热纤维材料热导率的因素一是纤维形态特征,包括纤维的几何形态和气孔形状,具有微孔表面结构的纤维比表面光滑的纤维热导率要小,一般情况下,气孔平均直径愈小,其纤维隔热材料的热导率也愈小,此外,纤维越细,其纤维隔热材料的热导率也越小;二是气孔率,材料应维持较高且稳定的气孔率,即静态空气的含量要高并且稳定;三是材料的热导率,一般固相和气相热导率之比越小越好;四是容重,应选择较轻质、带有一定扭曲的纤维材料;另外,温湿度对热导率也有影响。3民用工业用隔纤维材料的类型和性能3.1棉棉大径管棉石棉是可分剥成柔韧细长纤维的含镁硅酸盐矿物的总称。按照矿物类型,石棉可分为蛇纹石石棉、角闪石石棉和水镁石石棉三大类。其中,蛇纹石石棉又称温石棉,应用较多。石棉具有较好的隔热、耐碱、绝缘、防腐等性能,可纺性较好。石棉隔热材料的长期安全使用温度400℃～450℃,短时间使用可达700℃。石棉隔热纤维制品按其生产工艺可分为以下几种类型:织造类,如石棉纱、石棉线、石棉绳、石棉布、石棉带、石棉被、石棉衣着等;造纸类,如石棉纸、石棉衬垫、石棉保温板等;模制类,如石棉硅酸钙板、碳酸镁石棉管、泡沫石棉等;涂料类,如石棉硅酸盐复合涂料、石棉灰浆等。由于开放型石棉及其制品可对人体肺部造成侵害,近年来已被各国逐渐禁用。3.2酶系统求取cao岩棉又称岩石棉或岩矿棉,是以天然岩石如玄武岩、辉绿岩等为基本原料,经过熔化、纤维化而制成的一种无机质纤维。岩棉的化学成分(质量分数)要求:SiO240%～50%,Al2O310%～17%,Fe2O311%～17%,CaO9%～14%,MgO6%～14%,K2O+Na2O2%～4%,烧蚀量5%。国产以酚醛树脂作为黏结剂(3%～5%)的岩棉毡长期使用温度在400℃左右。岩棉主要用于建筑保温隔热,包括墙体、屋面、门窗、地面保温等,工厂可预制成各种岩棉夹芯复合板;工业保温隔热,包括高温管道、罐体、锅炉、热交换器等设备;船舶舱壁等。3.3玻璃棉的生产与性能玻璃棉即短玻璃纤维,是以石英砂、白云石、蜡石等天然矿石,配以其他化工原料如碱、硼等,在熔融状态下经拉制、吹喷或甩制而成的极细的纤维状材料。按其化学成分中碱金属氧化物的含量可分为无碱、中碱和高碱玻璃棉;按生产方法可分为火焰法玻璃棉、离心喷吹法玻璃棉和蒸汽(或压缩空气)立吹法玻璃棉。离心喷吹法生产玻璃棉的化学成分见表1。根据黏结剂种类,玻璃棉制品可分为低温、中温和高温三种类型。对于使用树脂作为黏结剂的制品使用温度不宜超过200℃,无黏结剂或采用无机黏结剂的制品最高使用温度约为550℃。玻璃纤维的一些基本性能与参数的关系见图1(温度20℃,纤维直径5μm)。玻璃纤维品种繁多。在工业发达国家,玻璃棉及其制品是一种普及较广的建筑保温隔热材料,包括供热、供水、动力等设备各种管道的保温隔热。其中玻璃棉毡主要用于建筑物隔热、空调及通风设备的保温、计算机房、冷库的保温以及飞机、船舶、有轨车辆、隧道等保温隔热。玻璃棉及其制品还可用于电厂、水泥、石油、化工、煤炭、机车等高温气体净化等。3.4工业特殊领域硅酸铝纤维又称耐火纤维,是当前国内外公认的新型优质隔热材料,可分为低温型(<900℃)、标准型(>1200℃)和高温型(1400℃～1600℃)三种。由于硅酸铝耐火纤维生产成本较高,目前其应用主要在工业特殊领域,包括原子能反应堆、冶金炉石化反应装置的内衬、金属材料热处理炉以及陶瓷烧窑等的绝热内衬。近年来,由于发现硅酸铝纤维制品在长期高温作用下,其晶相产生转变,会产生对人体有害的物质,因此,部分厂家已停用这种纤维,而改用以无碱玻纤制成的高硅氧纤维来代替。4其它纤维材料高硅氧纤维:我国生产的高硅氧纤维原始玻璃组分以SiO2—B2O3—Na2O三元系为主。为降低成本,美、俄、英等国多采用以SiO2—Na2O二元系为主或采用E玻璃进行高硅氧玻璃纤维及制品的生产。高硅氧纤维主要用于焊接飞溅物防护、低温退火毡、软接管、窑炉护帘、电缆、耐温衬垫材料等。氧化铝纤维:该纤维以Al2O3为主要成分,同时含有SiO2、B2O3、Zr2O3、MgO等成分,可耐1000℃左右的高温。纯的氧化铝纤维耐高温性能更优,但制取较困难,应用较少。陶瓷纤维:目前陶瓷纤维按其组成可分为含铝氧化物陶瓷纤维、硅化物陶瓷纤维(如碳化硅、氮化硅等)、硼及硼化物陶瓷纤维。碳化硅纤维是一种陶瓷纤维,先由有机硅聚合物制得聚碳硅烷,纺丝成形,再于1300℃以上烧结而成,其最高使用温度可达1400℃。可用于高速飞行器端头、前缘的热防护以及高速刹车盘,还可用于高温过滤、吸波等领域。5纤维材料的发展趋势近年来隔热纤维材料的研发主要集中在以下几个方面。(1)加速对金属的腐蚀憎水剂的使用,使得材料吸水后其绝热性能不但大大降低,而且还会加速对金属的腐蚀。目前,有机硅烷类憎水剂已大量使用,效果良好。耐高温型无机黏结剂系列产品的研制与开发,将会使耐温型纤维的品种和应用领域大大拓宽。(2)复合硅酸盐是一种隔热材料目前使用的隔热材料在应用上都存在着不同程度的缺陷,通过成分控制与工艺优化,可以生产出通用型或系列化复合硅酸盐类隔热材料。(3)纳米孔硅质材料的热性能目前,已出现几种新型隔热材料,如纳米孔绝热材料、复合隔热材料等。纳米孔硅质隔热材料中气孔尺寸绝大部分处于纳米级尺度。由于空气中的主要成分N2和O2的分子碰撞平均自由行程均约为70nm,只要纳米孔硅质隔热材料中的SiO2微粒构成的微孔尺寸小于这个临界尺寸时,材料内部便无对流传热,从根本上阻断了气体分子的热传递,从而可获得比有对流空气存在时更低的导热系数。纤维增强发泡硅酸盐复合材料也是一个重要的发展领域。(4)建立柔性或半柔性材料稀土可作为单独隔热层使用或对纤维作表面处理,能显著改善隔热材料综合性能,是隔热材料发展方向之一。由于绝大多数散热体做隔热处理时都需要将其缠裹或包覆,隔热纤维材料要求具有良好的曲面贴合适应性,因此柔性或半柔性隔热复合材料品种将会有较大的应用空间。陶瓷纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和氧化铝纤维等也会有较大的发展空间,同时,技术上的成熟度、成本低、无污染、规模化生产流程简单等也是影响各种隔热纤维材料大规模应用的重要因素。6影响热导率的因素无机非金属类隔热纤维材料在隔热材料领域发挥着重要作用,其产品种类多,应用范围广泛;隔热材料中的