纳米隔热板与其他隔热材料的隔热效果比较

随着能源的日益匮乏及能源价格的不断上涨,节能降耗势在必行。为此,在工业炉和高温设备上有针对性地采用低导热耐火制品的趋势越来越明显。传统隔热耐火材料一般有轻质砖、轻质不定形材料、耐火纤维材料等,由于其隔热效果不是太理想,不能满足日益提高的隔热要求。随着纳米技术的发展,高隔热性能的纳米隔热板问世,而且在国外已被广泛应用。2006年,国内也开发出了热导率与国外产品相当的纳米隔热板,并能批量生产。本文主要向大家介绍一下纳米隔热板的隔热原理及与其他隔热材料的隔热效果比较。

1　纳米隔热板的隔热原理

现有理论和试验表明,物体的热导率与其尺度有关,例如:SiO2固体(石英,轴向)的热导率为41.6W·m-1·K-1,SiO2凝胶粉的热导率为0.035W·m-1·K-1,而SiO2气凝胶的热导率为0.014～0.016W·m-1·K-1;当无机纤维直径由15μm减小到3μm时,矿物纤维棉的热导率降低12%,玻璃纤维棉的热导率降低6%。

根据微纳米尺度传热学,当介质尺度减小至微纳米级时,导热体可以变成热绝缘体。也就是说,当介质尺度小于热载子(分子、原子、电子、声子和光子等)的平均自由行程时,尺度效应和界面效应明显,接触热阻增大,热导率减小,热传递能力降低。因此,微纳米尺度传热学与宏观传热学的重要区别就在于反映介质热量传输的热导率、比热容等参数对介质尺度的依赖性。

制备纳米隔热板的主要原料是大孔容纳米粉料。由于气孔率高,热导率就低;按照国际标准ISO2245-1972的规定,隔热制品的气孔率至少达到45%,一般隔热制品的气孔率为70%,而大孔容纳米粉料的孔隙率为1.8mL·g-1。所以用大孔容纳米粉料可以生产出很低导热的隔热板。

2　试验

2.1　原料

研制纳米隔热板的主要原料有纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝、氧化锆、结合剂。其化学组成见表1。
 

2.2　试验方法

将10%～20%(质量分数,下同)的纳米二氧化硅、50%～70%的纳米三氧化二铝、5%～10%的氧化锆和5%～10%(外加)的结合剂混匀后,成型为200mm×25mm的试样,按一定方法处理后,按相关标准检测其物理性能。

2.3　试验结果

研制的纳米隔热板的理化性能指标见表2。此纳米隔热板是由纳米粉料和特制液态结合剂混合后成型的一种新型材料,其热导率很低,比静态空气的还要小。在高温下,纳米隔热板的隔热效果比传统隔热材料的高3～4倍。要达到同样热工条件下的隔热效果,纳米隔热板的厚度只需陶瓷纤维材料厚度的1/4。
 

纳米隔热板与其他隔热材料热导率的比较见图1。隔热效果的比较见图2。