玻璃棉纤维纸导热性能的研究

何红梅 王海毅 李 杰 唐永科 刘彬彬

(1.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021;2.陕西汽车集团西安德森新能源装备有限公司，陕西西安，710043)

玻璃棉纤维是无机非金属材料中的一种新型功能材料和结构材料，其主要原料资源贮量大。玻璃棉纤维密度小、热导率低、比表面积大、保温绝热和吸声性能好，还具有良好的化学稳定性等特性[1］。基于玻璃棉纤维优良的性能，使其在越来越多的领域得到推广应用[2］。玻璃棉纤维表面光滑而圆直，没有分丝帚化现象，纤维表面不能通过形成氢键结合在一起。但玻璃棉纤维常作为增强复合材料使用，在造纸方面也有广泛的应用[3］，常用来生产电池隔膜纸、过滤纸以及保温隔热纸等。

玻璃棉纤维的导热性能低，广泛应用于建筑和工业的保温隔热和隔冷，是一种优良的热绝缘材料。玻璃棉纤维作为隔冷材料，主要运用于低温储罐中的多层绝热材料。导热系数是研究隔热材料的一个重要基础参数，导热系数的确定对隔热材料的研发和生产有重大意义。

对于绝热材料，导热系数的影响因素很多，除了材料本身的性质以外，还受环境因素及传热方式等的影响。本实验通过测定不同温度下玻璃棉纤维纸的导热系数，考察了温度对其导热系数的影响。研究了不同多孔填料以及添加比例对玻璃棉纤维纸导热系数的影响。

1 实验

1.1 实验原料

6种不同打浆度的玻璃棉纤维，编号分别为: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 实验仪器

ZQJ1-B-II纸页成型器，DHG-9053A电热恒温鼓风干燥箱，DC-4010低温恒温槽，IMDRY3001-VII智能型双平板导热系数测定仪。

1.3 实验方法

1.3.1 抄造手抄片

称取 (6.0±0.01)g玻璃棉纤维放入浆料疏解器中，加入约1000 mL水并滴加硫酸调节玻璃棉纤维浆液pH值至3.0左右进行疏解，将疏解好的浆料倒入纸样抄取器内稀释后成形。将毛布覆盖在成形手抄片上，然后用圆桶轻轻滚压，使手抄片粘在毛布上，放入真空干燥器内抽真空干燥至水分约为10%，取出后揭下毛布，将未完全干燥的手抄片置于电热恒温鼓风干燥箱内烘干。温度设定为105℃，烘干至完全干燥。6种不同打浆度玻璃棉纤维抄造的手抄片分别记为:BM-1、BM-2、BM-3、BM-4、BM-5、BM-6。

1.3.2 玻璃棉纤维纸导热系数的测定

导热系数采用IMDRY3001-VII智能型双平板导热系数测定仪测定。其工作原理是采用稳态测量法，只有在冷板、热板和防护板达到稳态热平衡的条件下，才能得到正确的结果。按照一维稳态传热方程，热板加热器产生的热量通过试件传递到冷板，并由冷板的循环水等工质传递到系统外，形成一个热力循环。

2 结果与讨论

2.1 温度对玻璃棉纤维纸导热系数的影响

材料的导热系数会随着温度的变化而变化。有研究表明[4-5］，绝热材料组成固定时，导热系数随温度的升高而增大。低温储罐夹层中温度由内向外逐渐升高，多层绝热结构中的隔热纸有的贴近于气罐内壁，有的靠近于气罐夹层外壁，因此玻璃棉纤维纸所处的温度不同，实验考察了温度对玻璃棉纤维纸导热性能的影响，结果见图1。

图1 温度对玻璃棉纤维纸导热系数的影响

由图1可知，温度为-10～20℃时，随着温度的升高，不同打浆度玻璃棉纤维抄造的纸张导热系数不断升高，其中BM-1和BM-3纤维纸的导热系数随温度变化幅度不大，导热系数在0.029～0.031 W/m·K之间。另外4种玻璃棉纤维抄造的纸张导热系数变化显著，在-10～0℃时，4种玻璃棉纤维纸的导热系数迅速上升，随着温度的进一步升高，4种玻璃棉纤维纸的导热系数上升缓慢。当温度由-10℃升高到0℃时，BM-2纤维纸的导热系数由0.0182 W/m·K增加到0.0287 W/m·K，增加了 57.7%，变化非常明显，而BM-4、BM-5、BM-6纤维纸的导热系数也分别增加了30.4%、40.6%、32.4%。在同一温度下，BM-2纤维纸的导热系数最小，BM-1纤维纸的最大。分析原因可能是对同一打浆度的玻璃棉纤维纸而言，纤维的直径没有变化，抄造的纸张孔隙率相差不大，随着温度的升高，孔隙中的分子热运动加剧，从而导致传热的增加，导热系数增大。对同一温度下不同打浆度玻璃棉纤维纸来说，玻璃棉纤维纸的导热系数受到纤维直径、细小纤维含量和孔隙率的共同作用。随着打浆度的增加，纤维的直径减小，细小纤维数量增加，抄片的孔隙度减小。

由此可以得出，BM-1和BM-3纤维纸的导热系数随温度变化更加稳定，在LNG气瓶夹层中，贴近内壁可以选用低温环境下隔热性能更好的BM-2纤维纸;靠近夹层外壁选用性能更加稳定的BM-3纤维纸，这种复合结构的隔热性能可能会更好。

2.2 多孔填料对玻璃棉纤维纸导热性能的影响

多孔隔热材料孔隙尺寸极其微小，比表面积数值很大，本身可以作为隔热保温填料直接使用，玻璃棉纤维纸导热系数低，用于低温容器的隔热效果良好。有研究表明[6-7］，玻璃棉纤维纸中加入多孔吸附性填料，在多层绝热中能有效吸附层间放出的气体，提高绝热性能。为研究两者配合使用的效果，实验中用不同目数的膨胀珍珠岩和蛭石分别与玻璃棉纤维配抄成纸，测定其表观导热系数。图2为200～400目的膨胀珍珠岩和蛭石的添加比例对BM-3纤维纸导热系数的影响。

从图2中可知，随着多孔填料添加比例的增大，添加膨胀珍珠岩填料的玻璃棉纤维纸导热系数先降低再升高，当添加比例进一步增加时，导热系数又再一次下降;添加蛭石的玻璃棉纤维纸的导热系数随着填料的增加先略有增加，随后下降。从整体可以看出，添加膨胀珍珠岩玻璃棉纤维纸的导热系数比添加蛭石的低，当蛭石的添加比例为20%时，玻璃棉纤维纸的导热系数比未添加时还要高，隔热效果不佳。当填料的添加比例为30%时，添加膨胀珍珠岩和蛭石的玻璃棉纤维纸的导热系数都最小。

图2 填料对玻璃棉纤维纸导热系数的影响

膨胀珍珠岩和蛭石在实验添加前均要作研磨处理，通过分子筛筛分得到不同目数之间的粉体，目数越大，则粉体的粒径越小，实验针对同一种粉体，考察不同粒径对玻璃棉纤维纸导热系数的影响，比较结果见图3和图4。

图3 不同粒径膨胀珍珠岩对玻璃棉纤维纸导热系数的影响

图4 不同粒径蛭石对玻璃棉纤维纸导热系数的影响

从图3可以看出，膨胀珍珠岩的添加比例为10% 时，粒径在200～400目区间内的使用效果好，添加比例为20% 和30% 时，粒径在60～200目区间内膨胀珍珠岩的使用效果好。从图3还可以得出，膨胀珍珠岩的添加比例较大时，研磨目数小的区间内粉体即粒径较大的粉体使用效果明显。整体来看，60～200目膨胀珍珠岩的使用较200～400目效果好，尤其在添加比例较大的情况下表现最明显。分析原因可能是，对于目数较高的膨胀珍珠岩，在研磨过程中破坏了其中的蜂窝多孔结构，减小了热量传递的阻碍作用，造成其200～400目的添加时效果没有60～200目的好。另外，每一种粒径的填料添加比例最大时，导热系数值均为最小。

从图4可以看出，添加比例为20%和30%时，60～200目和200～400目蛭石的添加对玻璃棉纤维纸导热系数的影响区别不大，添加10%时，60～200目蛭石的使用效果较好。可见对于蛭石而言，目数小的粉体即粒径较大的粉体使用效果最佳。

3 结论

3.1 在-10～20℃之间，随着温度的升高，不同打浆度玻璃棉纤维纸的导热系数不断升高，其中BM-1和BM-3纤维纸对应的导热系数随温度变化幅度不大。当温度由-10℃升高到0℃时，BM-2纤维纸的导热系数由 0.0182 W/m·K 增加到 0.0287 W/m·K，增加了57.7%，变化非常明显，而BM-4、BM-5、BM-6纤维纸的导热系数也分别增加了30.4%、40.6%、32.4%。

3.2 添加200～400目膨胀珍珠岩的玻璃棉纤维纸的导热系数比添加蛭石的小，且二者的添加比例为30%时，其成纸的导热系数最低。不同目数蛭石的添加对其成纸的导热系数影响不大，不同目数的膨胀珍珠岩的添加可以减小其成纸的导热系数，但是影响变化不是很明显。

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