何紅梅 王海毅 李 杰 唐永科 劉彬彬

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安，710021;2.陜西汽車集團(tuán)西安德森新能源裝備有限公司，陜西西安，710043)

玻璃棉纖維是無(wú)機(jī)非金屬材料中的一種新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料，其主要原料資源貯量大。玻璃棉纖維密度小、熱導(dǎo)率低、比表面積大、保溫絕熱和吸聲性能好，還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特性[1］?；诓Ａ蘩w維優(yōu)良的性能，使其在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[2］。玻璃棉纖維表面光滑而圓直，沒有分絲帚化現(xiàn)象，纖維表面不能通過(guò)形成氫鍵結(jié)合在一起。但玻璃棉纖維常作為增強(qiáng)復(fù)合材料使用，在造紙方面也有廣泛的應(yīng)用[3］，常用來(lái)生產(chǎn)電池隔膜紙、過(guò)濾紙以及保溫隔熱紙等。

玻璃棉纖維的導(dǎo)熱性能低，廣泛應(yīng)用于建筑和工業(yè)的保溫隔熱和隔冷，是一種優(yōu)良的熱絕緣材料。玻璃棉纖維作為隔冷材料，主要運(yùn)用于低溫儲(chǔ)罐中的多層絕熱材料。導(dǎo)熱系數(shù)是研究隔熱材料的一個(gè)重要基礎(chǔ)參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)的確定對(duì)隔熱材料的研發(fā)和生產(chǎn)有重大意義。

對(duì)于絕熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素很多，除了材料本身的性質(zhì)以外，還受環(huán)境因素及傳熱方式等的影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定不同溫度下玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)，考察了溫度對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響。研究了不同多孔填料以及添加比例對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

6種不同打漿度的玻璃棉纖維，編號(hào)分別為:BM-1(29°SR)、BM-2(34°SR)、BM-3(39°SR)、BM-4(44°SR)、BM-5(49°SR)、BM-6(54°SR)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ZQJ1-B-II紙頁(yè)成型器，DHG-9053A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DC-4010低溫恒溫槽，IMDRY3001-VII智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 抄造手抄片

稱取 (6.0±0.01)g玻璃棉纖維放入漿料疏解器中，加入約1000 mL水并滴加硫酸調(diào)節(jié)玻璃棉纖維漿液pH值至3.0左右進(jìn)行疏解，將疏解好的漿料倒入紙樣抄取器內(nèi)稀釋后成形。將毛布覆蓋在成形手抄片上，然后用圓桶輕輕滾壓，使手抄片粘在毛布上，放入真空干燥器內(nèi)抽真空干燥至水分約為10%，取出后揭下毛布，將未完全干燥的手抄片置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干。溫度設(shè)定為105℃，烘干至完全干燥。6種不同打漿度玻璃棉纖維抄造的手抄片分別記為:BM-1、BM-2、BM-3、BM-4、BM-5、BM-6。

1.3.2 玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

導(dǎo)熱系數(shù)采用IMDRY3001-VII智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定。其工作原理是采用穩(wěn)態(tài)測(cè)量法，只有在冷板、熱板和防護(hù)板達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡的條件下，才能得到正確的結(jié)果。按照一維穩(wěn)態(tài)傳熱方程，熱板加熱器產(chǎn)生的熱量通過(guò)試件傳遞到冷板，并由冷板的循環(huán)水等工質(zhì)傳遞到系統(tǒng)外，形成一個(gè)熱力循環(huán)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而變化。有研究表明[4-5］，絕熱材料組成固定時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。低溫儲(chǔ)罐夾層中溫度由內(nèi)向外逐漸升高，多層絕熱結(jié)構(gòu)中的隔熱紙有的貼近于氣罐內(nèi)壁，有的靠近于氣罐夾層外壁，因此玻璃棉纖維紙所處的溫度不同，實(shí)驗(yàn)考察了溫度對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖1可知，溫度為-10～20℃時(shí)，隨著溫度的升高，不同打漿度玻璃棉纖維抄造的紙張導(dǎo)熱系數(shù)不斷升高，其中BM-1和BM-3纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化幅度不大，導(dǎo)熱系數(shù)在0.029～0.031 W/m·K之間。另外4種玻璃棉纖維抄造的紙張導(dǎo)熱系數(shù)變化顯著，在-10～0℃時(shí)，4種玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)迅速上升，隨著溫度的進(jìn)一步升高，4種玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)上升緩慢。當(dāng)溫度由-10℃升高到0℃時(shí)，BM-2纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)由0.0182 W/m·K增加到0.0287 W/m·K，增加了 57.7%，變化非常明顯，而BM-4、BM-5、BM-6纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)也分別增加了30.4%、40.6%、32.4%。在同一溫度下，BM-2纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)最小，BM-1纖維紙的最大。分析原因可能是對(duì)同一打漿度的玻璃棉纖維紙而言，纖維的直徑?jīng)]有變化，抄造的紙張孔隙率相差不大，隨著溫度的升高，孔隙中的分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，從而導(dǎo)致傳熱的增加，導(dǎo)熱系數(shù)增大。對(duì)同一溫度下不同打漿度玻璃棉纖維紙來(lái)說(shuō)，玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)受到纖維直徑、細(xì)小纖維含量和孔隙率的共同作用。隨著打漿度的增加，纖維的直徑減小，細(xì)小纖維數(shù)量增加，抄片的孔隙度減小。

由此可以得出，BM-1和BM-3纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化更加穩(wěn)定，在LNG氣瓶夾層中，貼近內(nèi)壁可以選用低溫環(huán)境下隔熱性能更好的BM-2纖維紙;靠近夾層外壁選用性能更加穩(wěn)定的BM-3纖維紙，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔熱性能可能會(huì)更好。

2.2 多孔填料對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱性能的影響

多孔隔熱材料孔隙尺寸極其微小，比表面積數(shù)值很大，本身可以作為隔熱保溫填料直接使用，玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)低，用于低溫容器的隔熱效果良好。有研究表明[6-7］，玻璃棉纖維紙中加入多孔吸附性填料，在多層絕熱中能有效吸附層間放出的氣體，提高絕熱性能。為研究?jī)烧吲浜鲜褂玫男Ч?，?shí)驗(yàn)中用不同目數(shù)的膨脹珍珠巖和蛭石分別與玻璃棉纖維配抄成紙，測(cè)定其表觀導(dǎo)熱系數(shù)。圖2為200～400目的膨脹珍珠巖和蛭石的添加比例對(duì)BM-3纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

從圖2中可知，隨著多孔填料添加比例的增大，添加膨脹珍珠巖填料的玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)先降低再升高，當(dāng)添加比例進(jìn)一步增加時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)又再一次下降;添加蛭石的玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)隨著填料的增加先略有增加，隨后下降。從整體可以看出，添加膨脹珍珠巖玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)比添加蛭石的低，當(dāng)蛭石的添加比例為20%時(shí)，玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)比未添加時(shí)還要高，隔熱效果不佳。當(dāng)填料的添加比例為30%時(shí)，添加膨脹珍珠巖和蛭石的玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)都最小。

圖2 填料對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

膨脹珍珠巖和蛭石在實(shí)驗(yàn)添加前均要作研磨處理，通過(guò)分子篩篩分得到不同目數(shù)之間的粉體，目數(shù)越大，則粉體的粒徑越小，實(shí)驗(yàn)針對(duì)同一種粉體，考察不同粒徑對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響，比較結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 不同粒徑膨脹珍珠巖對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4 不同粒徑蛭石對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響

從圖3可以看出，膨脹珍珠巖的添加比例為10% 時(shí)，粒徑在200～400目區(qū)間內(nèi)的使用效果好，添加比例為20% 和30% 時(shí)，粒徑在60～200目區(qū)間內(nèi)膨脹珍珠巖的使用效果好。從圖3還可以得出，膨脹珍珠巖的添加比例較大時(shí)，研磨目數(shù)小的區(qū)間內(nèi)粉體即粒徑較大的粉體使用效果明顯。整體來(lái)看，60～200目膨脹珍珠巖的使用較200～400目效果好，尤其在添加比例較大的情況下表現(xiàn)最明顯。分析原因可能是，對(duì)于目數(shù)較高的膨脹珍珠巖，在研磨過(guò)程中破壞了其中的蜂窩多孔結(jié)構(gòu)，減小了熱量傳遞的阻礙作用，造成其200～400目的添加時(shí)效果沒有60～200目的好。另外，每一種粒徑的填料添加比例最大時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)值均為最小。

從圖4可以看出，添加比例為20%和30%時(shí)，60～200目和200～400目蛭石的添加對(duì)玻璃棉纖維紙導(dǎo)熱系數(shù)的影響區(qū)別不大，添加10%時(shí)，60～200目蛭石的使用效果較好?？梢妼?duì)于蛭石而言，目數(shù)小的粉體即粒徑較大的粉體使用效果最佳。

3 結(jié)論

3.1 在-10～20℃之間，隨著溫度的升高，不同打漿度玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)不斷升高，其中BM-1和BM-3纖維紙對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化幅度不大。當(dāng)溫度由-10℃升高到0℃時(shí)，BM-2纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)由 0.0182 W/m·K 增加到 0.0287 W/m·K，增加了57.7%，變化非常明顯，而BM-4、BM-5、BM-6纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)也分別增加了30.4%、40.6%、32.4%。

3.2 添加200～400目膨脹珍珠巖的玻璃棉纖維紙的導(dǎo)熱系數(shù)比添加蛭石的小，且二者的添加比例為30%時(shí)，其成紙的導(dǎo)熱系數(shù)最低。不同目數(shù)蛭石的添加對(duì)其成紙的導(dǎo)熱系數(shù)影響不大，不同目數(shù)的膨脹珍珠巖的添加可以減小其成紙的導(dǎo)熱系數(shù)，但是影響變化不是很明顯。

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