气凝胶纸蜂窝夹层板的隔热性能

孙 莜 王冬梅

柏子游1 朱 宏1

1. 深圳职业技术学院

传播工程学院

广东 深圳 518055

2. 西安理工大学

印刷包装与数字媒体学院

陕西 西安 710048

1 研究背景

气凝胶作为一种多孔功能性材料，其孔隙大小为1～100 nm，孔隙率、比表面积分别高达99.8%和1000 m2/g，密度低至0.03 g/cm3。气凝胶孔隙中充斥大量气体介质，因而具有优良的保温隔热性能[1-3]。

气凝胶保温隔热性能优异，且在高温下性能稳定；但纯气凝胶具有强度低、易脆、不易成型等缺点。为了解决其力学性能差的问题，国内外许多学者采用加入增强纤维和遮光剂等方法，对其进行改良。Yang F. 等[4]利用静电纺丝和冷冻干燥技术，制备了超疏水可压缩纳米纤维复合气凝胶，该气凝胶在室温下导热系数为0.031 W/(m·K)，即使在100%湿度、80 ℃的高温高湿环境中，仍显现出0.048 6 W/(m·K)的低导热系数。Hung W. C. 等[5]选择玻璃纤维和碳纤维作为增强性材料，通过溶胶-凝胶法制备了由3层纤维组合的气凝胶复合材料，该复合材料的导热系数为0.031 W/(m·K)，同时具有较高（2.846 MPa）的抗弯强度。徐凛等[6]利用硅酸铝纤维、Al2O3纤维、莫来石纤维作为增强性骨架，制备了3种纤维增强气凝胶隔热复合材料，即使在1100 ℃的高温下，其导热系数也只有0.065 W/(m·K)。

目前冷库、建筑墙体的保温层主要使用聚氨酯泡沫板。由于配方与加工工艺的不同，聚氨酯泡沫板的保温隔热效果有差异但都不理想；而且聚氨酯泡沫等无法降解的材料在生产、使用和废弃后都会对环境造成严重污染。

气凝胶复合材料虽然具有导热系数低、孔隙率高等优点，但是不具备良好的承压性能。纸蜂窝的质量轻，可回收处理，是作为一种环保型材料，在隔音、隔热、自重、承压等方面都具有明显优势[7-10]。因此，本课题组本文设计出以纸蜂窝作为夹层，两侧复合气凝胶复合材料的夹层板，并对其性能进行研究，以期得到一种可用于大型建筑墙体的具有较好保温、隔热、承压效果的材料。

2 实验

2.1 材料与仪器

1）材料

气凝胶毡（玻璃纤维气凝胶复合材料），AGF300，厚度分别为10, 15, 20 mm，深圳中凝科技有限公司；

聚氨酯泡沫（B1级聚氨酯泡沫），密度为40 kg/m3，河北鑫源保温建材公司；

纸蜂窝（由面纸和芯纸组成），具体参数如表1所示，惠州锦旺包装环保包装材料有限公司。

表1 纸蜂窝基本参数Table 1 Basic parameters of honeycomb paperboard

2）仪器

恒温恒湿箱，LB-CB80，深圳蓝博仪器检测有限公司；

导热系数测试仪，DRPL-III，湘潭湘仪仪器有限公司。

2.2 实验方法

2.2.1 试样制作

以纸蜂窝做夹层，上下各附着一层气凝胶复合材料制作成复合结构的气凝胶纸蜂窝夹层板，如图1所示。再将气凝胶复合材料、具有不同参数的纸蜂窝和气凝胶复合材料作成的夹层板、聚氨酯泡沫都裁剪成尺寸为200 mm×200 mm的试样。

图1 气凝胶纸蜂窝夹层板Fig. 1 Aerogel paper honeycomb sandwich panel

2.2.2 导热系数测定

在不同环境中，材料的导热性能和力学性能不同。在潮湿环境下，夹层复合材料吸湿严重，导热性能会受严重影响，力学性能也会大幅度降低[11-12]。因此，在测定导热系数前必须对试样进行预处理，具体操作步骤如下：

1）将所有待测试样放置于恒温恒湿箱中，在23℃、80%湿度下处理24 h。

2）采用导热系数测试仪测量试样的导热系数。冷板设置为10 ℃，热板设置为35 ℃，由仪器自带数据处理系统计算并显示所测试样的导热系数。

3 实验结果与分析

许多文献研究了SiO2气凝胶复合材料的制备和隔热保温性能，其中王教方等[13]对多层复合材料导热系数测定方法的研究表明，若多层复合材料的导热系数分别为λ1,λ2, … ,λn，厚度分别为h1,h2, … ,hn，其总厚度为H，等效导热系数为λ，则根据热阻理论的定义得

从理论上说，气凝胶纸蜂窝复合材料的隔热性能，可分别测试气凝胶复合材料与纸蜂窝的导热系数，按照导热系数变化规律，选择最低的导热系数代入公式（1）即可获得两种材料复合的夹层板最低导热系数。下面分别研究纸蜂窝与气凝胶复合材料的导热系数。

3.1 纸蜂窝导热系数

在预实验时，发现纸蜂窝的参数，即厚度和孔径不同，其导热系数相差较大，因此分别以纸蜂窝厚度与孔径为变量进行单因素试验。

3.1.1 厚度对纸蜂窝导热系数的影响

为研究纸蜂窝厚度对导热系数的影响，在保证面纸克重与芯纸克重不变的情况下，对不同厚度的纸蜂窝导热性能进行对比。对取自恒温恒湿箱23 ℃、80%湿度环境中，孔径为10 mm，厚度分别为10,20, 30, 40 mm的纸蜂窝进行测试，测试结果如图2所示。

图2 纸蜂窝的导热系数与厚度关系曲线Fig. 2 The relationship curve between the thermal conductivity of paper honeycomb and its thickness

由图2可知，纸蜂窝的导热系数随厚度的增加而增大，即纸蜂窝的厚度越小，纸蜂窝的隔热性能越好。

3.1.2 孔径对纸蜂窝导热系数的影响

同样，为研究纸蜂窝蜂窝孔径对导热系数的影响时，在保证面纸克重与芯纸克重不变的情况下，对不同孔径大小的纸蜂窝导热性能进行对比。对取自恒温恒湿箱23 ℃、80%湿度环境中，蜂窝厚度为10 mm，蜂窝孔径为6, 8, 10, 12 mm的纸蜂窝进行测试，测试结果如图3所示。

图3 纸蜂窝的导热系数与孔径关系曲线Fig. 3 The relationship curve between the thermal conductivity of paper honeycomb and the aperture size

由图3可知，纸蜂窝导热系数随其孔径增大而增大，即纸蜂窝的孔径越小，纸蜂窝的隔热性能越好。相比于实心纸板，纸蜂窝内部存在大量干燥气体，干燥气体的导热系数远低于固体，因此蜂窝结构具有一定的隔热优势。

由图2和图3可以看出，纸蜂窝的导热规律与一般均匀材料的导热变化规律相反。主要是因为当蜂窝板的孔径较小时，其蜂窝孔径内部不会产生热对流或对流传热极小，故蜂窝孔径内的对流传热几乎可以忽略。此时，纸蜂窝的传热过程主要由材料的热传导和蜂窝孔之间的辐射传热组成。因此，蜂窝孔径越小，纸蜂窝导热系数越小[14]。

综上，在复合纸蜂窝与气凝胶复合材料时，应优先选择厚度薄、孔径小的纸蜂窝。

3.2 气凝胶复合材料导热系数

在气凝胶复合材料的热传导过程中，气体传热与固体传热占主导地位，根据傅里叶方程[15-17]，得到气凝胶复合材料的导热系数公式为

式中：Q为温度差导致的热量变化；

S为面积；

ΔT为温差；

h为厚度。

由式（2）可知，在面积、冷热板温差等条件相同的情况下，材料的厚度是影响导热系数的重要因素。因此，本文选择厚度作为变量，测试气凝胶复合材料的导热系数，寻求气凝胶复合材料的最佳厚度，使其与纸蜂窝的复合夹层板隔热性能最优。测试结果如图4所示。

图4 气凝胶复合材料的导热系数与厚度关系曲线Fig. 4 The relationship curve between the thermal conductivity of aerogel composite and its thickness

从图4可以看出，随着气凝胶复合材料厚度的增加，导热系数整体呈波浪式增大的变化趋势，导热系数与厚度没有呈现明显的线性关系，无法确定其最佳厚度。

3.3 气凝胶纸蜂窝夹层板导热系数

由3.1和3.2节中的测试结果可知：纸蜂窝导热系数的变化规律是，厚度、孔径越小，导热系数越小。而气凝胶复合材料的导热过程涉及到热传导、热对流和热辐射3种传热方式，不能直接测得导热系数的变化规律，无法选择气凝胶复合材料的最低导热系数并应用于公式（1），因此在气凝胶纸蜂窝夹层板的隔热性能探究中，需对该夹层板进行导热系数测试。此时，纸蜂窝的参数不再作为变量，直接选择导热系数最小的厚度为10 mm、蜂窝孔径为6 mm的纸蜂窝作为夹层，仅改变气凝胶复合材料厚度进行测试试验。

考虑到在实际应用中，冷库保温层使用的聚氨酯泡沫每层厚度大约为25～38 mm，因此只测定10 mm+10 mm、15 mm+10 mm、20 mm+10 mm这3种组合结构，即纸蜂窝厚度为10 mm不变，气凝胶复合材料的厚度分别为10, 15, 20 mm。测试结果如图5所示。

图5 气凝胶纸蜂窝夹层板的导热系数与气凝胶厚度关系曲线Fig. 5 The relationship curve between the thermal conductivity of aerogel paper honeycomb sandwich panel and thickness of the aerogel

从图5可以看出，气凝胶纸蜂窝夹层板的导热系数大体上随气凝胶复合材料厚度的增加而增大，当气凝胶厚度为10 mm和15 mm时，夹层板的导热系数低于0.03 W/(m·K)，满足我国冷库保温材料使用标准的要求。

3.4 气凝胶纸蜂窝夹层板与聚氨酯的导热性能比较

聚氨酯泡沫材料导热系数的理论值为0.021 W/(m·K)，但作为一种多孔发泡型材料，聚氨酯的导热系数与其材料配比、发泡温度有直接关系[18]，而且在冷库等湿度较大的环境中，其导热系数会因吸水而增大。

在施工过程中，每层聚氨酯泡沫喷涂厚度控制为25～38 mm，通常聚氨酯泡沫的计算导热系数取0.031 W/(m·K)。

为比较气凝胶纸蜂窝夹层板与聚氨酯泡沫板的导热性能，对厚度分别为20 mm和30 mm两种材料的导热系数进行测定，结果如图6所示。

图6 气凝胶纸蜂窝夹层板与聚氨酯泡沫板导热系数对比Fig. 6 Comparison of thermal conductivity between aerogel paper honeycomb sandwich panel and polyurethane foam panel

由图6可知，无论厚度是20 mm还是30 mm的两种保温隔热板，气凝胶纸蜂窝夹层板的导热系数均低于聚氨酯泡沫板的。换而言之，在同等隔热性能下，聚氨酯泡沫保温层厚度要更大，因此气凝胶蜂窝夹层板复合材料相较聚氨酯泡沫还可增加冷库库容，节省建筑面积。

4 结论

本文对气凝胶纸蜂窝夹层板的隔热性能进行了研究，可得如下结论：

1）玻璃纤维气凝胶复合材料的导热系数约为0.022 W/(m·K)，纸蜂窝的导热系数约为0.060～0.110 W/(m·K)，聚氨酯的导热系数约为 0.035 W/(m·K)。

2）在厚度为10 mm、孔径为6 mm的纸蜂窝上下两侧，附着厚度为10～15 mm玻璃纤维气凝胶复合材料所制得的气凝胶纸蜂窝夹层板，其导热系数为0.028～0.030 W/(m·K)，符合我国冷库墙体保温层材料的使用要求。因此，在保温隔热领域，完全可以选择由气凝胶纸蜂窝夹层板来替代现有的聚氨酯泡沫保温层。