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斯坦福崔屹Joule:不怕切割的真空隔热材料
发布时间:2022/9/7 17:00:43   浏览次数:1053

供热和制冷需求占社会总能源消耗的很大一部分。仅在建筑领域,供暖和制冷就占了超过全球建筑能源终端使用的30%。能源消耗的罪魁祸首是与环境的热交换。将墙壁和屋顶改造成隔热结构将大大减少建筑与环境之间的热交换。传统的隔热材料不能满足这一目标,因为空气在孔隙内存在气态导热。对于多孔隔热材料,通过抽离空气,使空气平均自由程大于孔径,可以大大抑制气体的热传导。然而,这些面板不能在现场切割,因为面板上的任何损坏都会导致真空损失,从而降低隔热性能。


基于此,斯坦福大学崔屹教授团队设计了一种兼具超高保温性能(即长期导热系数小于0.007 W/m-K)和传统保温材料安装便利性的超保温材料VIA。传统的真空隔热板只有一个外壳保护真空,容易损坏(图1A)。该设计的关键是一个密封结构,它将内部空间分隔成一系列真空室,每个真空室都由单独的与外壳密封在一起的阻隔膜保护(图1B)。任何损伤造成的真空损失都会被限制在一个局部区域内,材料的大部分区域仍然处于真空状态。因此,材料可以切割和重新组装,而不会失去其整体隔热性能。




VIA的设计与制备

作者比通过不同材料的氧渗透性对其气体阻隔性能和热导率进行评估。由于尼龙和乙烯-乙烯醇(EVOH)的热导率和氧渗透性都很低,因此选择它们作为阻隔膜的主要材料。聚合物作为阻隔膜会导致气体泄漏,在一定时间内能够观察到热导率的变化。以PE(对照组)为阻隔膜,2h内,热导率迅速上升至0.006W/m·K以上,因为空气很容易渗透PE。相比之下,尼龙阻隔膜的导热系数在2周后仍低于0.006 W/m·K,EVOH阻隔膜的导热系数在近1个月都保持在0.006 W/m·K以下。制造这种真空阵列结构的关键是要确保包膜和阻隔膜之间的密封。密封层(Sealing layer)通常由热塑性聚合物制成,其在较高温度下的相互扩散可以形成牢固的键。多孔芯材料首先由气体阻隔膜覆盖,密封层朝外,然后由包膜(Envelope)包裹。包膜内测还具有密封层,该密封层必须与气体阻隔膜的密封层兼容。接下来,将空气从材料中抽走,包膜在真空下密封在一起。最后,整个结构被压在热板之间,温度略高于密封层的熔点。热压5s时,PE的互扩散不够充分,边界清晰可见。增加到1分钟后,两层密封层已经连接在一起,没有明显的边界。


VIA的隔热和抗损伤性能

材料完整时,3×3平方VIA的导热系数约为0.005 ~ 0.006 W/m·K。当一个角落的真空室被刺穿后,只有受损区域的热导率显著增加,不受切割直接影响的区域仍然保持低导热性。刺穿后,以尼龙用作气体阻隔材料时,1个月内的导热系数保持在0.006 W/m·K为以下,2个月后略有上升。以EVOH为阻隔膜的VIA在长达2个月的时间内热导率没有明显的变化,1年后,其热导率也仅为为0.007 W/m·K。同时,这种VIA设计适用于不同的芯材,包括气凝胶复合材料、压粉板(气相硅胶)、纤维材料(玻璃纤维、矿棉、纤维素)和泡沫等。在100次弯曲后,方形VIA的热导率仍然很低,并且不受穿刺损伤的影响。损伤回弹性和机械弯曲试验表明,VIA具有与常规绝隔热料相似的安装便利性和适应性,同时隔热性能是常规隔热材料的4倍。

VIA在交通和建筑领域的应用

最后,以交通和建筑行业为例,作者研究了VIA作为超保温材料的节能潜力。在冷链行业,一个重大的挑战是在运输过程中保持低温,特别是当所需的温度极低时。在这种情况下,隔热变得尤为重要。作者建造了一个用相同厚度的隔热材料包裹的储物箱。作者将材料用铝箔包裹进一步降低辐射换热,并加入相变材料(冰或干冰)来模拟热质量。与传统泡沫隔热材料相比,VIA可使0 ℃的储存时间延长约3倍。将80~60 ℃设置为存储温度,VIA将储存时间提升约60%,较传统材料有显著改善。如果将VIA添加到现有的建筑围护结构中以增加隔热效果,建筑领域也可以实现显著的节能。图4G为温度保持在设定值时的阁楼温度。对于标准房屋模型,阁楼温度明显低于设定值。在墙体和屋顶引入2厘米厚的VIA保温材料,阁楼平均温度为上升到15 ℃左右,温度波动也大大减少。如果在墙体和屋面添加2厘米厚的VIA,每年可以减少30%-70%的供暖能耗和约10%-25%的冷却能耗。

小结:作者设计并制备了一种兼具传统保温材料安装方便与真空保温板超高保温性能的超保温结构。这种设计使隔热材料可以被戳破、切割、弯曲、组装而不失去其隔热性能。后期可以通过添加阻燃剂来提高其阻燃性能,在实际应用中满足国际标准要求,有助于提高能效,降低能耗和二氧化碳排放。

来源:高分子科学前沿
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