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斯坦福大學(xué)崔屹團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出不怕切割的真空隔熱保溫材料!供暖制冷節(jié)能潛力巨大

  供熱和制冷需求占社會總能源消耗的很大一部分。僅在建筑領(lǐng)域,供暖和制冷就占了超過全球建筑能源終端使用的30%。能源消耗的罪魁禍?zhǔn)资桥c環(huán)境的熱交換。將墻壁和屋頂改造成隔熱結(jié)構(gòu)將大大減少建筑與環(huán)境之間的熱交換。傳統(tǒng)的隔熱材料不能滿足這一目標(biāo),因?yàn)榭諝庠诳紫秲?nèi)存在氣態(tài)導(dǎo)熱。對于多孔隔熱材料,通過抽離空氣,使空氣平均自由程大于孔徑,可以大大抑制氣體的熱傳導(dǎo)。然而,這些面板不能在現(xiàn)場切割,因?yàn)槊姘迳系娜魏螕p壞都會導(dǎo)致真空損失,從而降低隔熱性能。

  基于此,斯坦福大學(xué)崔屹教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種兼具超高保溫性能(即長期導(dǎo)熱系數(shù)小于0.007 W/m-K)和傳統(tǒng)保溫材料安裝便利性的超保溫材料VIA。傳統(tǒng)的真空隔熱板只有一個(gè)外殼保護(hù)真空,容易損壞(圖1A)。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是一個(gè)密封結(jié)構(gòu),它將內(nèi)部空間分隔成一系列真空室,每個(gè)真空室都由單獨(dú)的與外殼密封在一起的阻隔膜保護(hù)(圖1B)。任何損傷造成的真空損失都會被限制在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi),材料的大部分區(qū)域仍然處于真空狀態(tài)。因此,材料可以切割和重新組裝,而不會失去其整體隔熱性能。

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圖1 傳統(tǒng)真空隔熱材料和作者設(shè)計(jì)的VIA

  VIA的設(shè)計(jì)與制備

  作者比通過不同材料的氧滲透性對其氣體阻隔性能和熱導(dǎo)率進(jìn)行評估。由于尼龍和乙烯-乙烯醇(EVOH)的熱導(dǎo)率和氧滲透性都很低,因此選擇它們作為阻隔膜的主要材料。聚合物作為阻隔膜會導(dǎo)致氣體泄漏,在一定時(shí)間內(nèi)能夠觀察到熱導(dǎo)率的變化。以PE(對照組)為阻隔膜,2 h內(nèi),熱導(dǎo)率迅速上升至0.006W/m-K以上,因?yàn)榭諝夂苋菀诐B透PE。相比之下,尼龍阻隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)在2周后仍低于0.006 W/m-K,EVOH阻隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)在近1個(gè)月都保持在0.006 W/m-K以下。制造這種真空陣列結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是要確保包膜和阻隔膜之間的密封。密封層(Sealing layer)通常由熱塑性聚合物制成,其在較高溫度下的相互擴(kuò)散可以形成牢固的鍵。多孔芯材料首先由氣體阻隔膜覆蓋,密封層朝外,然后由包膜(Envelope)包裹。包膜內(nèi)測還具有密封層,該密封層必須與氣體阻隔膜的密封層兼容。接下來,將空氣從材料中抽走,包膜在真空下密封在一起。最后,整個(gè)結(jié)構(gòu)被壓在熱板之間,溫度略高于密封層的熔點(diǎn)。熱壓5 s時(shí),PE的互擴(kuò)散不夠充分,邊界清晰可見。增加到1分鐘后,兩層密封層已經(jīng)連接在一起,沒有明顯的邊界。

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圖2 VIA的設(shè)計(jì)和制備

  VIA的隔熱和抗損傷性能

  材料完整時(shí),3×3平方VIA的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.005 ~ 0.006 W/m-K。當(dāng)一個(gè)角落的真空室被刺穿后,只有受損區(qū)域的熱導(dǎo)率顯著增加,不受切割直接影響的區(qū)域仍然保持低導(dǎo)熱性。刺穿后,以尼龍用作氣體阻隔材料時(shí),1個(gè)月內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)保持在0.006 W/m-K為以下,2個(gè)月后略有上升。以EVOH為阻隔膜的VIA在長達(dá)2個(gè)月的時(shí)間內(nèi)熱導(dǎo)率沒有明顯的變化,1年后,其熱導(dǎo)率也僅為為0.007 W/m-k。同時(shí),這種VIA設(shè)計(jì)適用于不同的芯材,包括氣凝膠復(fù)合材料、壓粉板(氣相硅膠)、纖維材料(玻璃纖維、礦棉、纖維素)和泡沫等。在100次彎曲后,方形VIA的熱導(dǎo)率仍然很低,并且不受穿刺損傷的影響。損傷回彈性和機(jī)械彎曲試驗(yàn)表明,VIA具有與常規(guī)絕隔熱料相似的安裝便利性和適應(yīng)性,同時(shí)隔熱性能是常規(guī)隔熱材料的4倍。

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圖3 VIA的隔熱和抗損傷性能

  VIA在交通和建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

  最后,以交通和建筑行業(yè)為例,作者研究了VIA作為超保溫材料的節(jié)能潛力。在冷鏈行業(yè),一個(gè)重大的挑戰(zhàn)是在運(yùn)輸過程中保持低溫,特別是當(dāng)所需的溫度極低時(shí)。在這種情況下,隔熱變得尤為重要。作者建造了一個(gè)用相同厚度的隔熱材料包裹的儲物箱。作者將材料用鋁箔包裹進(jìn)一步降低輻射換熱,并加入相變材料(冰或干冰)來模擬熱質(zhì)量。與傳統(tǒng)泡沫隔熱材料相比,VIA可使0 ℃的儲存時(shí)間延長約3倍。將80~60 ℃設(shè)置為存儲溫度,VIA 將儲存時(shí)間提升約60%,較傳統(tǒng)材料有顯著改善。

  如果將VIA添加到現(xiàn)有的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中以增加隔熱效果,建筑領(lǐng)域也可以實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能。圖4G為溫度保持在設(shè)定值時(shí)的閣樓溫度。對于標(biāo)準(zhǔn)房屋模型,閣樓溫度明顯低于設(shè)定值。在墻體和屋頂引入2厘米厚的VIA保溫材料,閣樓平均溫度為上升到15 ℃左右,溫度波動也大大減少。如果在墻體和屋面添加2厘米厚的VIA,每年可以減少30%-70%的供暖能耗和約10%-25%的冷卻能耗。

斯坦福大學(xué)崔屹團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出不怕切割的真空隔熱保溫材料!供暖制冷節(jié)能潛力巨大

圖4 VIA在交通和建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

  小結(jié):作者設(shè)計(jì)并制備了一種兼具傳統(tǒng)保溫材料安裝方便與真空保溫板超高保溫性能的超保溫結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)使隔熱材料可以被戳破、切割、彎曲、組裝而不失去其隔熱性能。后期可以通過添加阻燃劑來提高其阻燃性能,在實(shí)際應(yīng)用中滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求,有助于提高能效,降低能耗和二氧化碳排放。

標(biāo)簽: 制冷隔熱保溫材料  

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