VIP高效隔熱復合材料
王光仁
（黎明化工研究院 河南洛陽 471001）
摘 要：介紹了真空隔熱板（VIP）的結構、性能、和用途，概述了國內外研究、開發和應用情況。VIP復合材料導熱系數一般為5～8 mW/(m·K)，只有硬質聚氨酯泡沫塑料的1/2.5左右，而且在生產和應用過程中不使用ODS物質，具有環保和節能的雙重優點。
關鍵詞：聚氨酯；隔熱材料；節能；環境保護；真空隔熱板
由于CFC能夠消耗大氣層中的臭氧，破壞人們賴以生存的地球生態環境，因此，1987年制定的Montreal條約要求各國減少CFC的用量，尋求CFC替代物，最終完全取而代之。對CFC-11替代發泡劑的開發和應用研究已成為近年硬質聚氨酯泡沫研究開發人員的重要工作。同CFC-11相比，環戊烷、HCFC-141b、HFC-245fa、CO2等替代發泡劑本身導熱系數較高，降低了泡沫的隔熱性能。這些替代發泡劑雖然滿足了環保的要求，但需要消耗更多的能源。
環境保護和節約能源是當今世界的兩大主題。研究和開發無ODS、優良隔熱性能的新型材料一直是人們努力的方向。
干法工藝芯材和真空絕熱板
1 VIP隔熱原理和結構
1.1 VIP隔熱原理[1]
泡沫材料的傳熱可以由下式表示：
:λapp ＝λs +λg +λr +λc
式中：λapp表示泡沫材料表觀熱傳導；
λs 表示泡沫材料中的固相熱傳導，對于聚氨酯泡沫，隨泡沫表觀密度提高而提高，隨傳熱方向上固相傳熱面積減少、傳熱路徑延長而降低；
λg 表示泡沫材料中的氣相熱傳導，在低壓下，隨氣體密度和泡孔直徑降低而降低；
λr 表示輻射傳熱，隨泡孔直徑降低而降低；
λc 表示對流傳熱，影響較小，在13.3 kPa (100Torr)以下時，其影響幾乎為0〔2〕。
對于硬質聚氨酯泡沫，λg約占λapp的50％～65％；λs和λr各占15％～25％，共占35％～50％，λc占的比例很小。在真空條件下，λg＝0，λc＝0；開孔泡沫的傳熱路徑延長，因而降低了λs；泡孔的微細化（泡孔直徑﹤150 μm）降低了λr。VIP就是利用這個原理，采用微細化開孔泡沫做芯材制造的真空板，從而獲得高效隔熱性能的。理論研究和實驗表明，以開孔聚苯乙烯泡沫或開孔聚氨酯泡沫為芯材的VIP，在真空條件下，λapp ＝ λs+λr ＝4～6 mW/(m·K)。
1.2 VIP結構
VIP是采用真空隔熱原理，特殊結構的一種復合材料。主要有三部分組成：芯部的隔熱材料（Insulating material）、氣體吸附材料（Getter）和封閉的隔氣薄膜（Barrier）。
芯部的隔熱材料一般為多孔隙性材料，如粉狀二氧化硅（silica）、氣溶膠（aerogels）、開孔泡沫等。其首要作用是支撐作用，避免在真空條件下外部的封閉薄膜收縮、塌癟；第二是阻止熱的輻射；第三，本身為多空隙材料，接觸面小，熱傳導低。
吸附劑(Getter)的作用極其重要。VIP的隔熱性是因其有很高的真空度。但是，在生產過程中，抽真空后密封時，會有少量空氣進入VIP中；VIP在使用過程中，也會有少量氣體透過隔氣薄膜進入VIP中；VIP中的芯材在使用過程中也會釋放一些氣體。這些氣體包括氮氣、氧氣、水蒸氣、氫氣、二氧化碳和發泡劑等。必須使用特殊性能的吸附劑吸附這些氣體，以保持VIP內較高的真空度。
隔氣性薄膜用于將芯材密封起來，抽真空后形成高真空的空間。這種薄膜由鋁箔和聚合物薄膜復合材料組成，有很好的隔氣性。這種結構既保持了真空的低導熱系數，又解決了熱輻射和薄膜承受的大氣壓力的問題。
2 VIP歷史發展及最新進展
2.1 VIP歷史發展
VIP是上世紀五十年代發明的。VIP采用的芯材主要是粉狀材料或纖維材料，如珠光粉、粉狀二氧化硅、粉狀碳酸鈣、活性炭、玻璃纖維等。由粉狀二氧化硅做芯材制造的VIP隔熱性能好、壽命長，綜合性能較佳，技術成熟。其用途主要是航天航空、醫用保溫箱等，也用于民用制冷設備。
3 VIP性能特征
3.1 絕熱性能
圖2是VIP真空壓力和導熱系數的關系。從中可以看出，在生產上容易得到的66 Pa (0.5Torr)真空度下，其導熱系數為5～8 mW/(m·K)，只有硬質聚氨酯泡沫的1/2.5左右。
1－開孔聚氨酯泡沫塑料 2－沉淀法二氧化硅 3－玻璃棉 4－開孔聚苯乙烯泡沫塑料 5－珍珠巖
圖2 不同芯材在真空下的導熱系數
3.2 物理性能
一般來說，VIP芯材的90％以上是空隙，為了支承薄膜承受的外界壓力，必須有足夠的強度。
3.3 VIP的壽命
VIP中的吸附劑對VIP內氣體有很強的吸附作用，明顯提高了其隔熱性能的穩定性。PU-VIP是1994年后才面市的，ICI公司對VIP產品連續7年的試驗研究表明，導熱系數沒有明顯增加。據此計算，壽命大于15年。長期的壽命研究仍在進行中。
4 VIP的應用及研究
4.1 VIP應用
同其它材料相比，VIP以其極低的導熱系數，在保溫技術要求相同時有保溫層厚度薄、體積小、重量輕的優點，適用于節能要求較高和保溫材料體積小、重量輕有較大技術經濟意義的場合。過去，VIP主要用于軍工、船運保溫箱和醫用保溫箱。現在，隨著VIP的商業化和成本的降低，VIP已主要用于冰箱、冷凍箱和冷凍冷藏集裝箱隔熱保溫，也用于航空航天、交通運輸、食品工業和各種保溫箱的隔熱保溫。
日本的Sharp公司在冰箱中大量使用VIP作為隔熱材料。使用VIP隔熱的冰箱型號有SJ-WE44A、SJ-WE38A、SJ-45A等，均已面市。這些冰箱壁厚僅2.8 cm，只有普通冰箱的一半，不僅減少了冰箱重量，而且容積增加20％，而價格僅增加25％。這種產品很有竟爭力。其VIP隔熱的SJ-WE44B是節能型的，容積440 L，月耗電28度，比過去同類產品節電50％。最近，上市的一批雙開門電冰箱也采用了VIP材料，型號是SJ-4651、SJ-LC470e、SJ-4011和SJ-w h47e。據日經ＢＰ社報道，日本松下電器產業公司將從2001年12月1日起推出３款節能冰箱，年耗電量控制在300度以下，該產品采用新開發的高效壓縮機和使用新真空隔熱材料等手段減少耗電量。Sanyo、Matsushita和其它公司在冰箱和冷藏船上使用了Dow化學公司的PS-VIP。日本的大多數冷熱售奶機均使用VIP隔熱，該機小巧美觀。德國下莎克森州的塞森真空絕熱公司的冷凍車采用了VIP隔熱。土耳其Arcelik公司的Orbital牌冰箱使用VIP隔熱。伊萊克斯的VIP冰箱在歐洲獲得了兩項環保和節能大獎。英國的ICI和Microtherm Inc ' I ，德國的BASF、ITCHU Sthal Gmbh和Liebherr都在積極進行VIP研究和開發。俄亥俄州的諾考德公司采用VIP進行冰箱隔熱。
DOW化學公司的VIP已用于美國亞力桑納州ISC公司等三家公司的運輸箱中，用于儲藏易腐食品時，可節約費用50％。Whirlpool是美國第二大冰箱生產商，也使用VIP隔熱材料。以蓄冷材料維持低溫的冷藏箱，用PUF或PSF保溫時，保溫期只有1～2天；采用VIP隔熱材料后，保溫期延長至4～5天，使原來必須空運的物品，可以改用卡車運輸或者火車運輸，大幅度降低了運輸費用。
VIP在日本用量較大，歐洲次之，美國較少。日本Sharp冰箱大量采用VIP隔熱，其300L以上的冰箱大部分采用VIP隔熱。壁薄、容積率大是Sharp的技術特點之一。日本三洋、松下均生產VIP冰箱。國外最知名的三大品牌冰箱，GE、Electrolux、Whirpool都生產VIP隔熱冰箱。
4.2 VIP應用研究
ICI公司同用戶合作，進行了大量VIP的應用研究。在這方面，DOW化學也做了大量工作。隔氣薄膜的研究開發很活躍。VIP用于隔熱保溫，在保溫層厚度相同時，可以節能；在能耗相同時，可以降低隔熱層厚度，減少物體體積或增加儲藏空間；也可以為設計工程師提供多種靈活的選擇。
4.2.1 Dow化學公司的研究結果
冷藏保溫箱：在內裝保溫物品相同的情況下
(1) 用PU泡沫時，外形尺寸57cm×50cm×50cm，保溫層厚度3.8 cm，內裝21.8 kg冷卻劑，保溫期120 h；
(2) 用VIP隔熱時，外形尺寸33cm×46cm×28cm，保溫層厚度2.5cm，內裝7 kg 冷卻劑，保溫期200 h。
采用VIP新材料后，保溫箱體積減少70％，冷卻劑減少68％，而保溫期則延長66％。減少了運費，提高了運距，經濟效果明顯。
4.2.2 ICI公司的研究結果
冰箱采用VIP隔熱，可以節能10％～30％。盡管現在VIP的價格還很高，但用戶使用冰箱7～10年節約的電費，已相當于冰箱采用VIP隔熱增加的費用。采用VIP隔熱，除了經濟意義外，還有冰箱重量輕，體積小的優點。冰箱門和冷凍箱的上開門，要求質輕、壁薄，采用VIP隔熱有較大的技術經濟意義。
4.2.3 西門子公司的研究結果
用容積120 L，內部尺寸450mm×500mm×535mm，保溫層厚度50mm的冰箱進行試驗，用20mm厚度的VIP對60％的隔熱面隔熱。保持保溫層厚度不變時，可節能23％；保持能耗不變時，可將保溫層厚度降至30mm，增加冰箱容積22％。
參考文獻
1 Kodama K, Yuge K, Masuda Y. J Cell. Plast, 1995, 31(1):28
2 朱偉濤,李俊. 家用電器科技,2000,(3):34
VIP Composite Material with High Insulation
Wang Guangren
(Liming Research Institute of Chemical Indudtry, Henan Luoyang洛陽471001)
Abstract: The structure, properties and uses of vacuum insulation panel (VIP) were presented. The worldwide situation of researches, development and applications were surveyed. The heat-transfer coefficient of VIP is lower, and is about 1/2.5 as conventional rigid polyurethane foam. No ODS substances were used in the production and application. It has the dual advantages of environmental protection and energy saving.
Keyword: polyurethane; insulation material; energy saving; environmental protection; vacuum insulation panel
作者簡介：
王光仁 1957年生，1982年畢業于浙江大學高分子化學專業后在黎明化工研究院主要從事聚氨酯硬質泡沫塑料原料、助劑、制品的研究、開發和應用推廣工作。