团体标准《低温用气凝胶复合毡》编制说明

团体标准《低温用气凝胶复合毡》编制说明一、概述采用一定的干燥方法，将凝胶中的液体被气体所取代，同时凝胶的网络结构基本保留不变，这样所得的材料被称为气凝胶。气凝胶是一种具有纳米多孔结构的新型材料，1931年由美国Kistler.S.发明，因轻若薄雾，泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，创下15项吉尼斯纪录，在热学、光学、电学、力学、声学等领域显示许多奇特的性能，被称为改变世界的神奇材料，列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用材料。气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构，拥有极高孔隙率、极低的密度、高比表面积，其体积密度可低至3kg/m³（空气的密度为1.29kg/m³）。气凝胶因成分不同，主要有二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶等几种类型。其中二氧化硅气凝胶的绝热性能最为引人注目，技术也最为成熟，国内外气凝胶的产业化发展大多围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开，本标准的制定也主要针对二氧化硅基气凝胶。二氧化硅气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80-99.8%，孔洞的典型尺寸为1-100nm，比表面积为200-1000㎡/g，而密度可低达3kg/m³，室温导热系数可低达0.012W/（m·k）。热量的传递有三种途径：热传导、辐射和对流。气凝胶对这三种热传递均有很好的隔绝作用。气凝胶密度非常低，由于其独特的网络结构，使热传导的“路径”被无限拉伸及延长，热传导趋近于零；对于辐射换热，气凝胶的网络状结构很好的阻隔了辐射导热，通过遮光剂的添加，在高温状态下可以达到更好的效果；对于对流传热，气凝胶的网络结构将空气分隔为无数小孔隙，这些孔隙的直径为1-100nm，而空气的自由程约70nm，所以这些空隙极大地限制了空气的对流，甚至在某些程度上可以约束空气分子的自由碰撞，所以气凝胶突破了传统绝热材料的限制，其导热系数可以比静止空气（0.023W/（m·k））更低。但纯气凝胶自身强度不高、较脆易碎，不便于大规模生产，不适用于工业、建筑保温。而通过在溶胶凝胶过程中使用纤维类增强材料而制成的纳米孔气凝胶复合绝热制品（在下文中简称气凝胶制品），其力学性能有了明显的提升，完全可以满足生产、使用的要求，且其导热系数虽然比纯气凝胶有所增加但非常有限，仍然是性能极佳的绝热材料，其室温导热系数可低至0.014W/（m·k），一般大批量生产的产品室温导热系数也在0.018~0.020W/（m·k）。目前气凝胶已有国家标准GB/T34336-2017《纳米孔气凝胶复合绝热制品》。该国家标准主要针对高温蒸汽管道、窑炉等高温应用，主要分类温度指标为200℃、450℃、650℃、1000℃，未涉及低温领域的使用，也未包含任何低温性能。气凝胶在低温管道保温工程中的应用具有相当大的优势：1、导热系数低，可以大大的减少保温层的厚度，以及提升保温效果，提升输送距离，实现节能减排的效果；2、柔性材料适应性强，对于各种口径的管道，不用像硬质材料一样裁切各种规格的制品，而是均可使用一种规格进行施工；3、施工速度快，柔性卷材施工十分方便快捷；4、安全性好，气凝胶主要为二氧化硅结构，燃烧性能安全稳定。目前气凝胶在LNG行业的应用逐渐推广，美国ASPEN公司已经在LNG管道成功的推广了低温用气凝胶毡保温系统，我国目前企业也都研发出了低温用产品，逐渐在低温管道应用中进行推广。在推广中，由于LNG低温领域是一种全新的应用领域，需要一系列低温测试指标对产品进行规范，二、工作简况鉴于以上情况，南京玻璃纤维研究设计院有限公司于2019年底向CSTM/FC03/TC05绝热及吸声材料标准委员会提出了《低温用气凝胶复合毡》团体标准计划。2020年初，绝热及吸声材料标准委员会向CSTM标准委员会申报该项团体标准建议。2020年4月8日，CSTM标准委员会发布材试标字〔2020〕47号文“关于CSTM标准下达《低温用气凝胶复合毡》的立项公告”，下达了团体标准制定计划《低温用气凝胶复合毡》，计划号：CSTMLX030500393-2020，由南京玻璃纤维研究设计院有限公司（以下简称南京玻纤院）负责起草。起草单位在计划下达后，组建了标准编制小组，编写了草案，并于2021年4月23日在上海召开工作组会，对标准草案、验证试验情况进行了讨论，并提出了部分修改意见。标准编制组根据会议精神以及成员意见进行了部分验证试验的补充，并对标准进行了修改，最终形成了标准征求意见稿。三、标准的编制原则标准文本按照GB/T1.1-2020给出的规则进行编制。技术方面，主要对标ASPEN公司Cryogel产品数据，以及GB/T34336-2017《纳米孔气凝胶复合绝热制品》。对于能够采用GB/T34336标准中的指标和试验方法，我们将积极采用，对于部分国标不涉及的低温性能，参考美国ASPEN公司Cryogel产品使用的ASTM标准。对不能采用且不符合我国产业实际情况的指标，我们要根据对国内产品的验证试验结果，对测试方法及指标进行创新，兼顾指标的合理性和先进性，确保产品的使用要求，起到引导产业发展的作用。对于某些我国标准体系特别要求的性能，例如燃烧性能指标，按照我国标准体系的要求以及验证试验的结果进行确定。四、本标准与国外同类标准的对比目前国内仅有GB/T34336一项气凝胶产品标准，国外标准仅有ASTMC1728-13《柔性气凝胶绝热材料规范》，本标准性能与其对比见表1：表1本标准与GB/T34336、Cryogel指标对比内容GB/T34336标准要求本标准要求美标要求定义通过溶胶凝胶法，将增强材料与溶胶复合，然后用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相形成的纳米级多孔复合制品，简称气凝胶制品。与国标一致柔性气凝胶绝热材料：一种柔性绝热材料，包含气凝胶、纤维介质或增强材料或其组合。分类产品按产品形式分为：毡、板、异形制品。产品按分类温度分为以下四种：——Ⅰ型，使用温度不超过200℃；——Ⅱ型，使用温度不超过450℃；——Ⅲ型，使用温度不超过650℃；——Ⅳ型，由厂家标称使用温度，高于650℃。产品按导热系数分为A类，B类，S类。本标准仅涉及毡。仅涉及毡导热系数平均温度25℃A类≤0.021B类≤0.023S类≤0.017平均温度300℃A类≤0.036B类≤0.042平均温度500℃A类≤0.072B类≤0.084在常温环境下导热系数要求≤0.017。与国家标准S级相当。常温环境下导热系数要求≤0.017低温导热系数无要求≤0.013≤0.013燃烧性能GB8624GB8624B1C级表面燃烧特性加热永久线变化Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型应不小于-2.0%，Ⅳ型应不小于-5.0%应不小于-2.0%，试验温度为125℃线收缩≤2%振动质量损失率≤1.0与国标一致≤15%尺寸长度不允许负偏差宽度+15-3mm与国标一致宽度±15.2mm长度±51mm厚度厚度测试使用350Pa压强δ＜5+2.005≤δ＜10+2.0-1.0δ≥10+3.0-1.0与国标一致厚度测试使用98Pa压强(5±1)(10±2.5)密度毡±20%，板±15%无要求30~240kg/m3分档吸湿性质量吸湿率应不大于5.0%与国标一致≤5%吸水性体积吸水率应不大于1.0%与国标一致≤5%憎水率憎水率应不小于98.0%无要求。不涉及柔性不发生开裂、分层低温柔性不发生开裂、分层毡的压缩强度有承重要求时，毡类产品变形25%时的压缩强度应不小于80kPa。应不小于34.5kPa，预压力13.8kPa。Ⅲ型≥20.7kPa腐蚀性符合相关标准要求浸出液离子含量应符合GB/T17393的要求符合相关标准要求五、本标准的主要内容说明下面根据标准的条目对标准内容进行说明。1范围规定如下：“本文件规定了低温用气凝胶复合毡的术语和定义、标记、性能要求、试验方法、检测规则、标志、包装、运输及贮存。本文件适用于低温用（-196℃~125℃）气凝胶复合毡。本文件未规定材料制造商或系统供应商为了低温系统采取的湿气阻隔措施。”在范围中，明确规定了本标准的适用范围，是“低温用气凝胶复合毡”。其中的“低温”“气凝胶”“复合毡”等词语明确的规定了本标准的适用对象。低温气凝胶毡一般采用有机纤维增强，其适用范围为-196℃~125℃。低温应用中湿气阻隔措施非常重要，涉及到施工规范，本标准暂不涉及。本标准仅针对气凝胶毡。2规范性引用文件主要内容是标准引用的基础标准及试验方法标准。3术语和定义术语和定义引用了两个国家标准：GB/T4132《绝热材料及其术语》是绝热材料行业的术语标准，包含了绝热材料行业相关的术语和解释,GB/T34336对气凝胶的定义进行了规定。这两项标准基本涵盖了绝热材料行业与气凝胶相关常用的术语和定义。明确了“低温用气凝胶毡”是指用于低温（-196℃~125℃）的毡状纳米孔气凝胶复合绝热制品。。4标记产品未针对应用温度、导热系数等进行分类，仅针对一种类型的产品。产品标记由：产品名称、标称尺寸和本标准号三部分组成。5要求5.1.1外观要求：表面应平整，不得有妨碍使用的污迹、破损。与GB/T34336一致。5.1.2尺寸及允许偏差尺寸及允许偏差应符合表1的规定。与GB/T34336一致。尺寸及允许偏差 单位为毫米项目规格允许偏差长度——不允许负偏差宽度——+15-3厚度δδ＜5+2.0不允许负偏差5≤δ＜10+2.0-1.0δ≥10+3.0-1.05.1.3导热系数平均温度为25℃的导热系数应不大于0.017W/(m•K)。与GB/T34336中的S级一致，与Cryogel产品要求一致。图1Cryogel产品指标图2验证试验数据5.1.4加热永久线变化该性能是表征材料在高温下收缩的情况，主要为了验证材料最高可使用在125℃。标准规定加热永久线变化应不小于-2.0%，试验温度为125℃。5.1.5燃烧性能等级GB50264-2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》中第4.1.6条规定，“绝热材料及制品的燃烧性能等级应符合下列要求：1被绝热设备或管道表面温度大于100℃时，应选择不低于国家标准GB8624中规定的A2级材料。2被绝热设备或管道表面温度小于或等于100℃时，应选择不低于国家标准GB8624中规定的C级材料，……”在本标准中规定：“应不低于GB8624规定的B1(C)级。”5.1.6防水性能防水性能也是绝热材料非常重要的一个性能，吸水吸湿不但会降低绝热材料的性能，还可能会对整个绝热结构产生损害。标准要求在有防水防潮要求时，质量吸湿率应不大于5.0%，体积吸水率应不大于1.0%。憎水率没有提出要求，是因为我们认为如果体积吸水率可以符合要求，则憎水率必然可达到98%。5.1.7振动质量损失率与GB/T34336一致。5.1.8抗拉强度抗拉强度对于毡类产品有着明确的意义。在管道施工过程中，为了将毡类裹紧在管道上，不可避免的要对气凝胶毡进行拉扯，如果抗拉强度不能达到要求，则会产生拉断的现象。在管道升降温过程中，整个管道会产生膨胀和收缩的现象，也会对外面包裹的气凝胶毡产生拉伸应力，所以要求气凝胶毡在横纵两个方向均有一定的抗拉强度。气凝胶制品由于采用了玻纤毡或其他增强类纤维，所以抗拉强度整体表现非常好。根据验证试验的结果，标准要求气凝胶毡横向、纵向的抗拉强度均不小于200kPa。与GB/T34336一致。5.1.9压缩强度应不小于34.5kPa，预压力13.8kPa。与Cryogel要求一致。5.1.10浸出液离子含量浸出液离子含量应符合GB/T17393的要求。离子要求与GB/T34336一致，未涉及应力腐蚀试验。5.1.11低温柔性低温柔性对于低温下的气凝胶毡的应用十分必要。标准要求经过低温柔性试验后，应无明显的破损、断裂。5.2.1低温导热系数平均温度为-165℃的导热系数应不大于0.013W/(m•K)。5.2.2低温抗拉强度温度为-165℃的抗拉强度应不小于200kPa。5.2.3抗菌性应满足防霉等级1级的要求。六、标准中如果涉及专利，应有明确的知识产权说明本标准不涉及专利。七、产业化情况、推广应用论证和预期达到的经济效果等情况本标准的制定将为为低温气凝胶产业发展提供规则和依据，解决低温气凝胶制品的使用范围、定义，提供合理、全面的技术性能指标，帮助用户了解低温气凝胶产品的优异性能，为企业出厂检验、销售、质量验收提供依据，规范和引导市场，为管理部门提供依据，对产品推广提供支持，提高全社会对产品的认知度，最终推动低温气凝胶绝热材料的应用推广。八、与国际、国外同类标准水平的对比情况本标准部分技术内容参考了GB/T34336-2017，标准大部分技术水平与其相当，部分低温指标与Cryogel产品相