岩棉保温材料热工性能研究进展

杨佳 邢亮臣 王慧茹 孟辉江 郭丹丹 刘建伟

河北三楷深发科技股份有限公司

关键字：岩棉；传热机制；导热系数

1 前言

随着我国高效快速的发展，能源问题已成为制约经济发展的重要因素。据统计，建筑能耗占社会总能耗的30%左右[1、2]，成为了社会总能耗的重要组成部分。建筑能耗中，建筑围护结构损失的热量占建筑总能耗的70%～80%左右[3]，因此提高建筑的保温隔热性能至关重要。岩棉保温材料是一种常见的无机保温材料，具有A级阻燃和良好的耐久性，但其导热系数和吸水率较高，保温性能相对较差。为降低岩棉的导热系数，提高岩棉的保温性能，有许多专家学者分析了岩棉的传热机制，并采用多种方式降低岩棉的导热系数。

2 岩棉传热机制研究

岩棉材料热传递主要包括传导、对流、辐射三大传热方式。岩棉保温材料最大的特征是多孔、多相、多通道结构，属于典型的纤维集合体。纤维材料传热具有其典型的特征，国内外学者针对纤维材料不同的传热方式做了大量的研究。

2.1 纤维材料传导传热研究

在纤维固体传热中，固体骨架的热传导是纤维之间的热传导，Strong 等[7]将纤维材料的模型认为是纤维相互搭接的形式，在搭接点处产生热传导，该模型与纤维半径及接触压力相关。该模型较为简单，与实际的纤维堆砌状态差异较大，且接触压力难以测得。Verschoor[8]通过模型得到了纤维通道的热传导系数Kf*的经验公式：Kf*=fmkf，其中kf为单纤维的导热系数，f为纤维的体积分数，m为纤维种类相关的常数。

在对空气的热传导研究中，Marcussen得[9]到了很准确的热模型，该模型的计算公式与空气分子平均自由程、空气热传导特征长度以及纤维直径等有关。随后，Lee[10]等人简化了空气导热方程，但是不能准确表达空气的导热系数。

材料内部的导热是空气-固体骨架热传导的综合作用。Schuhmeister[11]将纤维材料看做是由纤维丝和空气串联组成的，采用气固耦合串并联模型得到纤维材料的热传导表达式。此模型与Verschoor[8]建立的纤维搭接模型相似，但是纤维搭接模型认为热流在纤维内部呈现非定向状态，这种假设只有在纤维体积分数较小的情况下成立。Bogaty[12]在建立纤维热传导模型时考虑了纤维排列的方向性，Bogaty将纤维排列方向分为垂直于热流方向和平行于热流方向，通过计算两个方向上的纤维的体积分数及导热系数，得出纤维材料的综合传热系数。三位学者虽然在一定程度上建立了纤维材料热传导的模型，但是都在一定程度上忽略了纤维在材料中的实际排列状态，忽略了纤维的实际取向问题。Stark 和Frickle[13]综合考虑了纤维的取向问题，并建立了导热机制模型，但是Stark 和Frickle 建立的模型却认为纤维保温材料是各向同性的，使得导热机制模型具有一定的局限性。Langlais[14]认为纤维材料导热系数只与材料的温度和密度有关，该公式同样考虑了纤维之间的接触问题。Woo 等[15]综合考虑了纤维材料的各向异性和纤维材料的排列状态对材料综合传热系数的影响，虽然Woo建立的模型能够更加精确地反应纤维材料的综合传热系数，但是该模型中大多数参数不易获得，因此模型并未广泛应用。Daryabeigi[16]认为固体纤维与空气的热阻由串联组成，并建立了模型。模型及参数比较简单，因此后来的一些研究人员一般会采用此类型的模型来进行研究。

2.2 纤维对流传热的研究

当流体的各部分之间存在温度梯度，且流体之间存在宏观上的相对位移时，冷热空气发生相互交换的同时热量发生传递，这个过程就是对流。对于纤维材料对流传热理论研究可分为两类：第一类是由外界提供动力，使气流之间发生宏观运动从而产生热量交换；第二类是由于气流内部温度梯度提供动力，使气流之间发生宏观运动从而产生热量交换。

对于纤维集合体第一类对流传热的研究，Vafai 和Tiem[17～19]同时研究了不透气边界和变化孔洞条件下，纤维多孔材料内对流传热的规律。Langlais、Arquis和McCaa[20]控制保温隔热材料顶部横向气流存在与否，改变保温隔热材料内部的温度梯度和透气率，研究保温隔热材料内部的对流传热，并与实际情况进行对比。研究发现保温隔热材料顶部是否存在横向气流对材料的对流传热起决定性作用。Fan等[21]从理论和实践两方面研究了纤维保温材料表面和大气之间存在热对流的热传递性质。目前关于纤维多孔保温材料热对流的研究主要集中在实验研究方面，理论研究主要为纤维保温材料表面与外界之间的对流换热，而关于纤维保温材料内部对对流传热的影响研究却很少。

对于纤维集合体第二类对流传热又叫做自然对流，纤维集合体内部是否发生自然对流取决于纤维集合体内部温度梯度、体积密度、材料厚度以及纤维集合体内部介质的物理性质。Burns和Tine[22]研究分析了自然对流对纤维保温材料综合热传递的影响及所占百分比，研究表明当大气压低于105N/m2，温度低于1000K，纤维保温材料的孔隙率小于0.95，厚度小于5cm时，纤维多孔保温材料内部的自然对流可忽略。但是压力升高到107N/m2时，自然对流对综合传热的影响增大，这一结论也得到了实验的验证。因此，在正常大气压下，纤维多孔保温材料对流传热可忽略。

2.3 纤维材料辐射传热的研究

热辐射本身是一种电磁波，也是唯一一种非接触的换热方式。Verschoor[8]，Strong[7]和Bankvall[23]假设纤维保温材料中辐射热通过纤维进行传递，并且将每一层的纤维看成吸收表面和发射表面，连续每层的热量综合为总辐射量，从而计算出纤维保温材料的总辐射导热系数。Strong[7]和Davies 等[24]认为辐射热是能穿过不同体积的纤维，因此不是通过纤维层间传输的，Strong[7]和Davies等[24]利用光学原理研究得到纤维保温材料的辐射热传导公式。

2.4 纤维材料综合传热机制

上述研究是对于三种传热方式分别建模，也有部分专家学者研究了综合传热机制模型。对于纤维保温材料综合传热机制的研究大多数忽略了对流传热，而是辐射传热和传导传热综合传热模型。Lee[27]认为在低密度纤维集合体内总的导热系数等于空气导热系数和辐射导热系数总和，该模型整合了经验公式和辐射公式，此公式考虑了温度、厚度和密度对传热的影响。Fanworth[28]利用双向热流法，建立了纤维保温材料传热机制模型。该模型综合考虑了纤维保温材料对热辐射的吸收和发射，但忽略了热辐射的散射作用。Daryabeigi[29]提出纤维保温材料的高温传热模型，此模型仅可用于一维各向同性的多孔材料。刘让同[30]研究了无规则纤维保温材料的内部通道的导热系数，他认为热量通过纤维通道的长度与纤维层厚度不相等，此模型与国外Verschoor 的相似。ZHAO 等沿用Verschoor方法研究了纤维集合体高温隔热性能。

3 岩棉保温材料热工性研究

岩棉导热系数高、保温性能差的特点是目前岩棉在保温材料行业竞争中的劣势，如何降低岩棉的导热系数，提高岩棉的保温性能是目前岩棉材料专家学者们研究的核心。为降低岩棉的导热系数，目前研究比较多的方向为降低岩棉的吸水率、控制岩棉的容重和制备岩棉复合材料。

3.1 岩棉吸水率

韩长军等[31]人利用摆锤法制备不同密度的岩棉板，各种密度的岩棉板在150℃下检测其导热系数，实验结果发现岩棉的导热系数随着密度的增加先增加后减小，当岩棉的密度为80kg/m3时，岩棉的导热系数最低。张昭瑞等[32]人指出岩棉板的吸水率在一定程度上受生产工艺的影响。岩棉板的生产工艺包括打褶法、摆锤法、沉降法等，打褶法生产的岩棉板吸水率比摆锤法生产的岩棉板吸水率低，摆锤法生产的岩棉板的吸水率比沉降法生产的岩棉板的吸水率低。采用合理的生产工艺能够有效地降低岩棉的吸水率从而降低岩棉的导热系数，提高岩棉的保温性能。岩棉板的生产工艺在一定程度上影响岩棉的吸水率，摆锤法生产的岩棉板的吸水率比沉降法生产的岩棉板的吸水率要低，打褶法生产的岩棉比摆锤法生产的岩棉的吸水率低，

3.2 岩棉密度

贾濡东等[33]人利用光敏剂引发聚磷酸铵在异丙醇的水溶液中的聚合反应以改性岩棉，通过研究聚磷酸铵、光敏剂的含量以及异丙醇的浓度对聚丙烯接枝率的影响，进一步研究其对岩棉吸水率和阻燃性能的影响。结果表明聚磷酸铵单体浓度为4.8%、光敏剂为0.4%、异丙醇浓度为0.2g/L 时，接枝率达到最大值，并且岩棉的疏水性及阻燃效果都得到了明显提升。刘建[34]等人提出随着岩棉密度的增加，岩棉内孔径缩小，而孔径缩小会降低由对流产生的热损失，导热系数因此降低。但是当岩棉密度增加到一定程度时，岩棉内部对流传热越来越不明显，由对流产生的热损失可忽略不计，此时岩棉的导热系数最低。如果继续增加岩棉的密度，孔径将继续减小，岩棉的导热系数则开始提高。

3.3 制备岩棉复合材料降低岩棉导热系数

提高岩棉保温性能的方法除了降低岩棉的吸水率和控制岩棉的密度以外，还可以添加改性剂与岩棉复合，以降低岩棉的导热系数。热量传递主要包含热传导、热辐射和热对流三种方式，通过添加改性剂的方式降低岩棉的导热系数需要有针对性的选取改性剂。目前，常见的改性剂为铝箔和SiO2气凝胶。铝箔复合能够有效降低热辐射损失，提高热能设备的热效率。SiO2气凝胶由于其特殊的空间网络状结构，本身具有较低的导热系数，利用SiO2气凝胶低导热系数的特征，能够有效的降低岩棉的导热系数。

陈攻等[35]人利用铝箔反射红外线，降低岩棉的辐射热传导的原理，将铝箔粘结在保温板的表面，然后将保温板加工成锯齿状，在25℃、150℃、350℃、500℃、650℃温度下测试岩棉板和岩棉/铝箔复合保温板的综合传热系数，结果发现随着温度的提高，岩棉铝箔复合材料的综合传热系数相较于岩棉的综合传热系数降低率越来越高，当热工设备在600℃时，岩棉/铝箔复合保温板的综合传热系数降低了20%。2014 年韩国LG Hausys 公司研发了一种以岩棉为芯材，热塑性聚合物薄膜和铝膜为包覆层的真空绝热复合材料，此复合材料具有比玻纤作芯材时更好的隔热性能，且成本较低，包覆材料不易被破坏，导热系数为0.0035W/（m2·K）～0.0047W/（m2·K），但其生产成本高，耐久性能差。针对岩棉材料面临的问题，目前急需开发一种适合于工业生产，并且能够有效降低岩棉板导热系数的改性方法。姚鹏[36]将SiO2气凝胶作为改性剂，对传统的无机保温材料进行改性，将SiO2气凝胶、KH550以及酒精混合制备出改性剂，通过浸润的途径将SiO2气凝胶复合于无机保温材料中，研究SiO2气凝胶的质量分数对无机保温材料的影响。研究表明随着SiO2气凝胶质量分数的增加，无机保温材料的导热系数逐渐降低。孙达[37]利用酸性硅溶胶为硅源，以岩棉板作为支撑体，制备岩棉/气凝胶复合材料，结果显示岩棉/气凝胶复合材料在20℃时的导热系数为0.015W/（m·K），相较于岩棉板的导热系数降低了62.5%，大大降低了岩棉的导热系数。

4 结论

目前，针对岩棉热工性能的理论研究比较完善，岩棉热工改性研究主要集中在降低岩棉的吸水率、控制岩棉的密度和添加改性剂制备岩棉复合材料等方面。降低岩棉的吸水率和控制岩棉的密度在一定程度上降低了岩棉的导热系数，但是岩棉的导热系数仍然较高。添加改性剂制备岩棉复合材料，虽然能够有效的降低岩棉的导热系数，但是工业生产困难，并且生产成本较高，制约了岩棉复合材料的发展。因此，仍需对岩棉热工性能进行进一步的研究。