隔热材料的选择:孔状、层状、粉末状和纤维基对比分析

发布时间 | 2024-07-05 11:31 分类 | 粉体应用技术 点击量 | 132
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导读:隔热材料在现代工业中的应用至关重要,无论是孔状、层状、粉末状,还是纤维基隔热材料都各具特点。在选择隔热材料时,应根据具体应用场景和需求,综合考虑材料的特性、性能和使用寿命,以实现最...

在现代工业生产中,能源的高效利用变得愈发重要,尤其是在高温和低温环境中,隔热材料的选择直接影响设备的能效和安全性。从减少制冷与制暖的输送过程的能量损耗,到航空航天飞行器在穿越地球大气层时需要耐高温隔热材料,再到冶炼和核电等领域的大型设备隔热需求,开发高性能的隔热材料已成为焦点。

形形色色的隔热材料

形形色色的隔热材料

目前在耐高温隔热领域,已经在使用的隔热材料一般都是具有特殊的结构,因为内部结构的不同,被赋予不同层次的隔热性能。根据结构的不同,隔热材料可分为以下类型:孔状结构较多的孔状隔热材料、多层堆叠的层状隔热材料、粉末状原料制成的粉末状隔热材料以及由纤维材料制成的纤维基隔热材料。它们都有什么区别,接下来一起看看吧!

不同形态的隔热材料

以二氧化硅为例,不同形态的隔热材料

1粉末状隔热材料

粉末状隔热材料,是指对原材料进行粉碎预处理后,与一定比例的添加剂一起,在粘结剂的作用下混合均匀,然后注入设定好的模具中,进行风干、固化、脱坯等工艺,最后经过高温烧结后得到的一种粉末状高温隔热材料。

目前最具代表性的、使用范围最广的粉末状隔热材料是膨胀珍珠岩,它是将一种天然的硅质火山矿物“珍珠岩”粉碎后,进行一系列的筛选,高温烧结后得到的产物。

珍珠岩

珍珠岩

在高温烧结过程中,珍珠岩内部的自由水与结合水瞬间汽化,使珍珠岩的内部发生膨胀,产生大量的蜂窝结构。由于其独特的体系结构,具备防火耐高温性能,体积密度介于40kg/m3 140kg/m3之间。在防火耐高温领域尤其是建筑物外墙的保温保护以及锅炉的热管保护领域均有广泛的应用。

膨胀珍珠岩的隔热场合

膨胀珍珠岩的隔热场合

但是由于其自身产出的气孔缺陷,导致其耐水性能较差,且长时间使用后,表面会出现龟裂现象,这不仅会使材料的隔热性能大打折扣,还会影响其使用寿命,进一步增加了相关产品的使用成本。

2、层状隔热材料

层状隔热材料往往是因为借助其不同的粘结结构而具备特殊的隔热性能,主要包括间隔物和反射屏两个组分,进一步通过缝合或者粘合的工艺使两部分紧密联系。

层状隔热材料

最初的层状隔热材料结构很单一,一般是使用金属箔类材料作为反射屏,或者用碳化硅制成的薄板作为隔热屏,与导热系数较小的间隔物一起组成层状隔热材料。到如今,层状隔热材料的结构已有很大改进,在基材方面会选用耐高温的硅铝酸纤维以及石英纤维网,辅助填充以气凝胶为主的隔热材料,以此种工艺制备出的层状隔热材料隔热温度最高可到1000℃,材料平均密度在0.25 g/cm3以下,在200℃温度下,其导热系数可以降低到0.037 W/(m·K),在隔热应用方面有着优异的表现。

3、多孔状隔热材料

多孔状隔热材料是指内部具有密闭孔隙的材料,这些孔隙储存大量静止空气,利用空气导热系数低的特点,减缓热传导。其不规则形状的孔隙使热量多维度扩散,进一步削弱热量传输速度,实现优异的隔热性能。目前常用的多孔状隔热材料主要是指各类气凝胶材料。

二氧化硅气凝胶

二氧化硅气凝胶

气凝胶是世界上已知的密度最低的固体材料,具有三维分级多孔网络结构,其典型的孔隙直径大小为 2-50 nm,最常见的气凝胶材料的孔径在 10 nm 左右。由于材料孔隙率极高,在进行热量传输时,固体导热所做贡献极低,而气体导热效率又很差,被限制在一个很低的水平。因此,对于孔状结构较多的气凝胶材料,不管赋予其任何环境条件,均能表现出优异的高温隔热性能。

目前科研人员已经研发出了各种各样的气凝胶材料,包括各种金属、氧化物等种类。但气凝胶问题在于力学性能差、抗震性差、易掉粉,制备工艺也有待提升。未来需开发更高效的冷冻干燥技术,使材料内部组分分布更均匀,以提高其高温耐受性和整体性能。

氧化铝气凝胶

氧化铝气凝胶

碳化硅气凝胶

碳化硅气凝胶

4、纤维基隔热材料

纤维基隔热材料按照不同的材料性质可以划分为不同的种类,包括无机纤维材料、有机纤维材料、以及复合纤维基隔热材料。在此三种材料之中,无机纤维的隔热效应最为广泛,因为其不仅可以提供良好的隔热性能,还在材料的其它性能方面也有不错的表现,例如质量更轻,更耐腐蚀等。

玻璃纤维针刺保温毡

玻璃纤维针刺保温毡

在纤维基隔热材料的制备过程中,往往是利用粘结剂与分散机使纤维均匀混合,产生大量的纤维接触点,这些接触点的存在会改变热流传导的方向与速度,大幅度削弱相关的热辐射效应。制备出的纤维基隔热材料强度较高、导热系数较低、在高温环境下使用性能稳定,因此,其不论在隔热材料中是被作为主体使用,还是作为多层隔热材料中导热系数较低的隔热层,均发挥出很重要的作用。

纤维传热示意图

纤维传热示意图

近年来,纤维基隔热材料凭借其优异的耐高温隔热性能以及良好的力学性能和贴合性能,使得我国市场上常见的隔热材料中,超过60%以上的都是纤维基隔热材料,其形式多样,包括纤维板、纤维毡、纤维块等,在高温隔热应用领域已经呈现出不可替代的形式。

总结

综上所述,隔热材料在现代工业中的应用至关重要,无论是孔状、层状、粉末状,还是纤维基隔热材料都各具特点。在选择隔热材料时,应根据具体应用场景和需求,综合考虑材料的特性、性能和使用寿命,以实现最佳的隔热效果和经济效益。未来,随着科技的进步和材料科学的发展,隔热材料的性能和应用范围将进一步提升,为工业生产和节能减排贡献更大力量。

 

资料来源:

刘成凯. 柔性莫来石纤维材料的甩丝成型及其隔热性能研究[D]. 上海:东华大学,2023.

Perlite: The Most Sustainable Insulation Solution for Buildings

吴一凡,王兴涛,孙金峰,等. 二氧化硅纤维基隔热材料研究进展[J]. 硅酸盐通报,2023,42(11):4167-4177.

 

粉体圈 整理

作者:粉体圈

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