玻璃纤维真空祛湿研究

汤伟，韩厚德，阚安康

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

0 前言

真空绝热板(vacuum insulation panel)是近年来开发和研制的一种绝热材料，其结构主要由芯部的隔热材料(insulating material)，气体吸附材料(getter)和封闭的隔气结构(barrier)组成［1］。其是通过最大限度提高多孔介质芯层绝热材料真空度及降低芯材导热系数而实现隔绝热传导，是目前世界上较先进的高效保温材料［2］。由于VIP高效的绝热、节能等特性，国内近几年已开始运用于各种领域，如建筑围护结构、冰箱隔热层、蓄冷冷藏箱及航空航天等领域，并取得了良好的效果。

目前真空绝热板制作预处理的方法是加热烘烤祛湿法，但单一的加热祛湿并不能最大限度除去芯材内部残余水分。因此基于玻璃纤维芯材，通过间接式加热与抽真空方式对VIP 作实验研究，通过不同祛湿方式实验对比，研究真空祛湿方式的优越性。

1 真空度变化主要原因

1.1 材料残余水分

多孔材料内部水分子的粘附性、材料内部空隙的包裹作用等，短时间烘烤处理并不能完全去除水分，内部由于处于低真空状态，当处于大温差下时，未除去的残余水分会逐渐闪发成水蒸气。有研究表明，相同压力下，单位体积的液态水变为气态时，体积增加600 倍［3］。

随着时间延长，在存在温差的条件下越来越多的水分蒸发，玻璃纤维为开孔连通材料，水蒸气在空隙内部自由流动，发生对流传热增强传热，同时气态水的自由分子导热系数约为氮气的1.6 倍、氧气的1.7 倍［4］。当传热系数达到一定极限值时认为VIP 绝热失效，此极限有效传热系数通常规定为0.008 W/mk［5］。

1.2 渗漏［6］

通常的隔气结构由聚合物和金属复合膜制成，气体主要由热封边缘及封装材料表面渗入。热封层由LDPE(low density polyethylene)和LLDPE(linear low density polyethylene)组成，气体沿着横向由热封层渗透内部，通过此方式渗透的压力方程可表示为:

其中:L 横截面周长(m);W 热封边缘宽度(m);Ru通用气体常数(J/molK);d 厚度(m);t 时间(t);Pi，atmi 气体的大气分压力(Pa);Ki，edge封边气体渗透率(cm3cm/cm2sPa)。通过封装袋小孔渗入而引起压力上升，其与时间关系可表示为:

Ki，eff为表面气体渗透率(m3(STP)/m2·S);A 为表面积(m2)。在现有的技术下，一般薄膜的H2O 渗透率数量级约为10－12(m3(STP)/m2·S)，而这部分对于芯材内部压力的影响是甚微的，因此在短期内可以忽略不计。

1.3 结晶水

玻璃纤维的主要成分为二氧化硅、硅酸盐等，其通常存在硅酸盐结晶水成分AlxCay(SiO3)z·nH2O，若使用传统单一加热的方式并不能最大限度地去除，因此在应用过程中，当VIP 在大温差条件下，存在以下可逆化学反应［7］:

以上化学反应方程式在大温差下，由于水分在真空条件下沸点降低，水分蒸发且化学反应向着正方向进行，体积持续膨胀使得VIP 内部压力增大，致使VIP 绝热效果降低，同时缩短了其使用寿命，

2 真空祛湿实验研究

2.1 真空祛湿原理

真空祛湿方式主要是对芯材在烘烤除湿的基础上，通过抽真空的方式对芯材加以处理。采用间断式加热与抽真空方式对玻璃纤维芯材进行处理，玻璃纤维放在烘烤箱烘烤除湿，一定时间后关闭加热源，开始抽真空，达到600 Pa 以下压力后关闭真空泵，由储气罐放入经干燥后的干空气，干燥气体含湿量较低不会使芯材二次吸湿且能够吸湿干燥芯材，如此反复若干次试验。玻璃纤维芯材在烘烤过程中蒸发部分水分，由于加热只是降低了空气的相对湿度，但含湿量并未降低，因此通过抽真空使得残余液态水分蒸发并被抽取排除。反复加热并抽真空使得内部的结晶水及附着在芯材上的残余水分可以不断蒸发排除，从而达到高效的干燥效果。

尽管对芯材祛湿特性进行了很多研究，但由于其复杂的热湿机制、微观的无序性及不同芯材的特性，很难准确预测，因此通过实验的方法对目标芯材(玻璃纤维)进行真空祛湿研究。

2.2 真空祛湿实验

实验装置主要是由格兰仕(型号)改造而成，主要有烘烤箱、真空设备及电子天平、热电偶及控制箱等装置。

烤箱设定温度及烘烤时间，玻璃纤维芯材通过烘烤祛湿可去除大部分水分;电子称精度为0.01 g，烘烤及抽真空后，置于电子称上测量质量;设定真空设备相应参数，真空度达到600 Pa 以下即可。

实验通过烘烤和抽真空，并分别测量其重量变化来判断芯材祛湿状况，即烘烤后测量质量并记录，再抽真空后测量质量并记录。实验分三次测量，每次均记录数据，当最后两次质量基本保持不变时，可判断水分基本祛除，否则重复实验步骤，直到质量基本不变。实验基本数据:环境温度19.4 ℃，湿度75.3%，抽真空时间25 min。实验记录数据如表1 所示。

表1 真空祛湿实验数据记录

由表中可看出，第二步与第三步质量没有变化，说明内部水分基本除完。虽然从数据中可知抽真空质量变化较小，但其对真空度的影响是不可忽视的，在同一压力下体积可膨胀600 倍，使得VIP 真空环境受到极大破坏，降低VIP 的使用寿命，所以抽真空不仅可以去除水蒸气且能够使残余水分蒸发。通过真空祛湿的方式处理玻璃纤维芯材，可以更大限度地除去芯材内部的水分，保证VIP 具有更长的实验寿命。

图1 分别为采用单纯烘烤法(b)和采用真空祛湿法(a)处理的芯材，在6 个月后的对比。

图1 两种方法祛湿对比

从图1 可知，图1(b)为传统单一烘烤祛湿6 个月后玻璃纤维芯材VIP 已经膨胀起来，说明内部有大量气体产生;图1(a)为真空祛湿处理6 个月后的VIP 板，可以看出其依然完好如初。所以采用真空祛湿法对玻璃纤维芯材进行干燥处理可达到较好的干燥效果，后期能保证较长的使用寿命。真空祛湿可以更高效的去除芯材内水分，保证最大限度地除去芯材内部残余水分。

3 结论

尽管VIP 高效的绝热性能可以应用于多方面领域，但传统单一烘烤祛湿法并不能最大限度地去除内部水分，一段时间后残余水分将对VIP 传热性能产生极大影响，降低其寿命。真空祛湿在芯材干燥方面具有独特的优点，极大限度地祛除内部残余水分，保证绝热板的真空度，提高VIP 绝热性能及使用寿命，对实际应用具有很大的参考价值。

［1］T G Kollie，D L McEiroy，H A Fine，etc.A Review of Vacuum Insulation Research and Development in the Building Materials Group of the Oak Ridge National Laboratory［C］.ORNL/T M2 11703，September 1991.

［2］http://baike.baidu.com/view/3065508.htm.

［3］Pitchumani R，Yao S C.Correlation of Thermal Conductivities of Unidirectional Fibrous.

［4］耿进良，韩厚德，阚安康，等.真空绝热板绝热特性研究［J］.节能，2010，(12):26-27.

［5］Ruben Baetens，Bjφrn Petter Jelle，Jan Vincent Thue，Martin J.Tenpierik，Steinar Grynning Sivert Uvslφkk，Arild Gustavsene.Vacuum insulation panels for building applications:A review and beyond［J］，Energy and Buildings，2010，(42):147-172.

［6］Jae-Sung Kwon，Choong Hyo Jang，Haeyong Jung，Tae-Ho Song，Energy and Buildings，2010，(42):592-596.

［7］Henderson，E.1;Bailey，J.E.SHEET-LIKE STRUCTURE OF CALCIUM SILICATE HYDRATES，1988，2(23):502-503.

［8］L.F.Giraldo，L.Lo'pez，L.Pe'rez，S.Urrego，L.Sierra，M.Mesa，Mesoporous silica applications，Macromolecular Symposia 258 (2007)123–138.