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隔熱纖維材料的隔熱性能
1阻燃整理用纖維材料隨著人類面臨的能源危機越來越嚴重,開發(fā)新能源、減少能源浪費尤其重要。隔熱材料引起了每個方面的關注。隔熱材料種類有很多,如珍珠巖、蛭石、硅藻土、浮石、火山灰、沸石、硅酸鈣等,而隔熱纖維材料有著其他材料無法替代的優(yōu)點。隔熱纖維材料是一種減緩由傳導、對流、輻射產(chǎn)生熱流速度的材料或復合材料,絕大多數(shù)為硅酸鹽類礦物材料。隔熱纖維材料具有以下優(yōu)點:易制成多孔材料,纖維集合體具有較高的孔隙率和較小的容重;纖維本身具有一定的拉伸強度,其制品的抗拉、抗壓和抗折強度高;纖維制品的成形和使用方便,其對曲面的貼合適應性較好;對材料的參數(shù)可以進行控制設計;纖維材料可與其他材料進行復合、部分復合或組合,共同發(fā)揮隔熱作用。隔熱纖維材料主要有石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁纖維、高硅氧纖維、碳化硅纖維和氧化鋁纖維等。其中石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁纖維等已在傳統(tǒng)工業(yè)中大量應用,高硅氧纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維和陶瓷纖維等在特種工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。2海淡行業(yè)隔熱材料熱導率的要求隔熱纖維材料主要由固體基質和氣孔組成,且固體基質和氣孔為連續(xù)相。傳熱的基本方式主要有熱傳導、熱對流和熱輻射。材料的隔熱機理可用導熱微觀理論加以解釋,有效熱導率的數(shù)值一般介于構成隔熱材料的固體相熱導率和氣體熱導率之間,它取決于隔熱材料的結構、氣孔率和組成隔熱材料固、氣相材料本身的性質。隔熱纖維材料一般可對固相、氣相和液相以及輻射傳熱共同起作用。濕度是影響隔熱纖維材料熱導率的一個很重要的因素,受外部條件影響很大。由于水的熱導率約為空氣的25倍,冰的熱導率更大,所以隔熱纖維材料吸水或吸濕后的熱導率將會大幅度增加。液相傳熱的外在條件是地下水的存在、雨霧天氣以及空氣中的水分(即空氣相對濕度)等,液相傳熱的內(nèi)在因素是材料本身具有的吸濕性和纖維集合體的毛細管效應等。大多數(shù)的隔熱纖維材料需要覆蓋一層鋁箔薄膜,用以減少或阻隔輻射熱的傳遞。在高溫狀態(tài)下,無濕熱傳遞現(xiàn)象,更高溫度下,部分固相可直接升華為氣相態(tài)。容重、孔隙率和熱導率為隔熱纖維材料的基本參數(shù)。容重是指單位外形體積隔熱纖維材料的質量,孔隙率是指整個隔熱纖維材料外形體積中氣孔所占的體積分數(shù)。根據(jù)Fourier傳熱定律對有效熱導率進行控制設計是優(yōu)化隔熱纖維材料隔熱性能的主要手段之一。對于纖維狀隔熱材料而言,分為與纖維方向平行的熱導率和與纖維方向垂直的熱導率,且前者要比后者大很多。在工程實際中,對于垂直型散熱面或垂直型熱流管道的隔熱纖維材料的鋪放,需要對纖維的鋪設方向進行專門設計,由于熱流的釋放方向是垂直向上的(熱濕氣流方向),因此,纖維在鋪設時不僅要與散熱面平行,同時還要與地面平行,使熱流散失方向與纖維方向盡量垂直,使有效熱導率最低。同理,對水平管道的纖維網(wǎng)包纏或纖維隔熱預制件包覆,應保證有一定量的纖維與管道保持平行,以使熱流散失方向與纖維方向成垂直狀態(tài)。實際中多采用纖維氈的纖維方向雜亂,介于垂直和平行之間,可以取纖維平行排列熱導率和垂直排列熱導率的中間值,因此影響并不顯著。影響隔熱纖維材料熱導率的因素一是纖維形態(tài)特征,包括纖維的幾何形態(tài)和氣孔形狀,具有微孔表面結構的纖維比表面光滑的纖維熱導率要小,一般情況下,氣孔平均直徑愈小,其纖維隔熱材料的熱導率也愈小,此外,纖維越細,其纖維隔熱材料的熱導率也越小;二是氣孔率,材料應維持較高且穩(wěn)定的氣孔率,即靜態(tài)空氣的含量要高并且穩(wěn)定;三是材料的熱導率,一般固相和氣相熱導率之比越小越好;四是容重,應選擇較輕質、帶有一定扭曲的纖維材料;另外,溫濕度對熱導率也有影響。3民用工業(yè)用隔纖維材料的類型和性能3.1棉棉大徑管棉石棉是可分剝成柔韌細長纖維的含鎂硅酸鹽礦物的總稱。按照礦物類型,石棉可分為蛇紋石石棉、角閃石石棉和水鎂石石棉三大類。其中,蛇紋石石棉又稱溫石棉,應用較多。石棉具有較好的隔熱、耐堿、絕緣、防腐等性能,可紡性較好。石棉隔熱材料的長期安全使用溫度400℃~450℃,短時間使用可達700℃。石棉隔熱纖維制品按其生產(chǎn)工藝可分為以下幾種類型:織造類,如石棉紗、石棉線、石棉繩、石棉布、石棉帶、石棉被、石棉衣著等;造紙類,如石棉紙、石棉襯墊、石棉保溫板等;模制類,如石棉硅酸鈣板、碳酸鎂石棉管、泡沫石棉等;涂料類,如石棉硅酸鹽復合涂料、石棉灰漿等。由于開放型石棉及其制品可對人體肺部造成侵害,近年來已被各國逐漸禁用。3.2酶系統(tǒng)求取cao巖棉又稱巖石棉或巖礦棉,是以天然巖石如玄武巖、輝綠巖等為基本原料,經(jīng)過熔化、纖維化而制成的一種無機質纖維。巖棉的化學成分(質量分數(shù))要求:SiO240%~50%,Al2O310%~17%,Fe2O311%~17%,CaO9%~14%,MgO6%~14%,K2O+Na2O2%~4%,燒蝕量5%。國產(chǎn)以酚醛樹脂作為黏結劑(3%~5%)的巖棉氈長期使用溫度在400℃左右。巖棉主要用于建筑保溫隔熱,包括墻體、屋面、門窗、地面保溫等,工廠可預制成各種巖棉夾芯復合板;工業(yè)保溫隔熱,包括高溫管道、罐體、鍋爐、熱交換器等設備;船舶艙壁等。3.3玻璃棉的生產(chǎn)與性能玻璃棉即短玻璃纖維,是以石英砂、白云石、蠟石等天然礦石,配以其他化工原料如堿、硼等,在熔融狀態(tài)下經(jīng)拉制、吹噴或甩制而成的極細的纖維狀材料。按其化學成分中堿金屬氧化物的含量可分為無堿、中堿和高堿玻璃棉;按生產(chǎn)方法可分為火焰法玻璃棉、離心噴吹法玻璃棉和蒸汽(或壓縮空氣)立吹法玻璃棉。離心噴吹法生產(chǎn)玻璃棉的化學成分見表1。根據(jù)黏結劑種類,玻璃棉制品可分為低溫、中溫和高溫三種類型。對于使用樹脂作為黏結劑的制品使用溫度不宜超過200℃,無黏結劑或采用無機黏結劑的制品最高使用溫度約為550℃。玻璃纖維的一些基本性能與參數(shù)的關系見圖1(溫度20℃,纖維直徑5μm)。玻璃纖維品種繁多。在工業(yè)發(fā)達國家,玻璃棉及其制品是一種普及較廣的建筑保溫隔熱材料,包括供熱、供水、動力等設備各種管道的保溫隔熱。其中玻璃棉氈主要用于建筑物隔熱、空調及通風設備的保溫、計算機房、冷庫的保溫以及飛機、船舶、有軌車輛、隧道等保溫隔熱。玻璃棉及其制品還可用于電廠、水泥、石油、化工、煤炭、機車等高溫氣體凈化等。3.4工業(yè)特殊領域硅酸鋁纖維又稱耐火纖維,是當前國內(nèi)外公認的新型優(yōu)質隔熱材料,可分為低溫型(<900℃)、標準型(>1200℃)和高溫型(1400℃~1600℃)三種。由于硅酸鋁耐火纖維生產(chǎn)成本較高,目前其應用主要在工業(yè)特殊領域,包括原子能反應堆、冶金爐石化反應裝置的內(nèi)襯、金屬材料熱處理爐以及陶瓷燒窯等的絕熱內(nèi)襯。近年來,由于發(fā)現(xiàn)硅酸鋁纖維制品在長期高溫作用下,其晶相產(chǎn)生轉變,會產(chǎn)生對人體有害的物質,因此,部分廠家已停用這種纖維,而改用以無堿玻纖制成的高硅氧纖維來代替。4其它纖維材料高硅氧纖維:我國生產(chǎn)的高硅氧纖維原始玻璃組分以SiO2—B2O3—Na2O三元系為主。為降低成本,美、俄、英等國多采用以SiO2—Na2O二元系為主或采用E玻璃進行高硅氧玻璃纖維及制品的生產(chǎn)。高硅氧纖維主要用于焊接飛濺物防護、低溫退火氈、軟接管、窯爐護簾、電纜、耐溫襯墊材料等。氧化鋁纖維:該纖維以Al2O3為主要成分,同時含有SiO2、B2O3、Zr2O3、MgO等成分,可耐1000℃左右的高溫。純的氧化鋁纖維耐高溫性能更優(yōu),但制取較困難,應用較少。陶瓷纖維:目前陶瓷纖維按其組成可分為含鋁氧化物陶瓷纖維、硅化物陶瓷纖維(如碳化硅、氮化硅等)、硼及硼化物陶瓷纖維。碳化硅纖維是一種陶瓷纖維,先由有機硅聚合物制得聚碳硅烷,紡絲成形,再于1300℃以上燒結而成,其最高使用溫度可達1400℃??捎糜诟咚亠w行器端頭、前緣的熱防護以及高速剎車盤,還可用于高溫過濾、吸波等領域。5纖維材料的發(fā)展趨勢近年來隔熱纖維材料的研發(fā)主要集中在以下幾個方面。(1)加速對金屬的腐蝕憎水劑的使用,使得材料吸水后其絕熱性能不但大大降低,而且還會加速對金屬的腐蝕。目前,有機硅烷類憎水劑已大量使用,效果良好。耐高溫型無機黏結劑系列產(chǎn)品的研制與開發(fā),將會使耐溫型纖維的品種和應用領域大大拓寬。(2)復合硅酸鹽是一種隔熱材料目前使用的隔熱材料在應用上都存在著不同程度的缺陷,通過成分控制與工藝優(yōu)化,可以生產(chǎn)出通用型或系列化復合硅酸鹽類隔熱材料。(3)納米孔硅質材料的熱性能目前,已出現(xiàn)幾種新型隔熱材料,如納米孔絕熱材料、復合隔熱材料等。納米孔硅質隔熱材料中氣孔尺寸絕大部分處于納米級尺度。由于空氣中的主要成分N2和O2的分子碰撞平均自由行程均約為70nm,只要納米孔硅質隔熱材料中的SiO2微粒構成的微孔尺寸小于這個臨界尺寸時,材料內(nèi)部便無對流傳熱,從根本上阻斷了氣體分子的熱傳遞,從而可獲得比有對流空氣存在時更低的導熱系數(shù)。纖維增強發(fā)泡硅酸鹽復合材料也是一個重要的發(fā)展領域。(4)建立柔性或半柔性材料稀土可作為單獨隔熱層使用或對纖維作表面處理,能顯著改善隔熱材料綜合性能,是隔熱材料發(fā)展方向之一。由于絕大多數(shù)散熱體做隔熱處理時都需要將其纏裹或包覆,隔熱纖維材料要求具有良好的曲面貼合適應性,因此柔性或半柔性隔熱復合材料品種將會有較大的應用空間。陶瓷纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維和氧化鋁纖維等也會有較大的發(fā)展空間,同時,技術上的成熟度、成本低、無污染、規(guī)?;a(chǎn)流程簡單等也是影響各種隔熱纖維材料大規(guī)模應用的重要因素。6影響熱導率的因素無機非金屬類隔熱纖維材料在隔熱材料領域發(fā)揮著重要作用,其產(chǎn)品種類多,應用范圍廣泛;隔熱材料中的
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