表面带凹坑的真空绝热板性能与结构研究

陈清，吴和平，杨闯（浙江省质量检测科学研究院，浙江杭州　310018）



表面带凹坑的真空绝热板性能与结构研究

陈清，吴和平，杨闯
（浙江省质量检测科学研究院，浙江杭州310018）

摘要：利用模具在玻璃纤维芯材结构上开微小孔，再将未开孔芯材与开孔芯材相叠加，抽真空后，芯材开孔处在真空绝热板（VIP）膜材表面形成凹坑。对比不同开孔个数对VIP导热系数的影响，研究了表面带凹坑的VIP结构在用于外墙外保温系统时对整个系统拉拔强度的影响。实验结果发现，当开孔个数达到一定值时，表面带凹坑的VIP的导热系数比未开孔的VIP导热系数还要低；凹坑结构对VIP外墙外保温系统的拉拔强度具有一定的提高和改善。

关键词：真空绝热板（VIP）；开孔芯材；凹坑；导热系数；拉拔强度

0　前言

真空绝热板（Vacuum Insulation Panel，简称VIP）被视为目前具有发展潜质的高性能隔热保温材料[1]。真空绝热板采用真空隔热原料，由3部分组成：芯材为多孔介质材料，保证板内真空度的真空密封膜材以及能够吸收透过膜材进入板内的各种气体的吸气剂或干燥剂[2]。目前，绝热保温效果较好的VIP芯材大多采用玻璃纤维棉、二氧化硅粉末以及聚氨酯泡沫塑料，导热系数分别为0.001～0.003、0.003～0.010和0.003～ 0.007W/（m·K）[2-3]。其中玻璃纤维棉作为芯材的真空绝热板导热系数最低[4]。

在倡导节能减排的今天，建筑外围护结构的热损耗较大，目前建筑能耗约占全国总能耗的1/3，建筑节能引起了社会各界的极大关注。随着技术的进步，VIP在建筑外墙隔热保温上的应用越来越被重视。由于VIP具有单位面积质量轻、施工简便、无毒、无污染、绿色环保、使用寿命长、不易燃烧等优点，已广泛用于以混凝土和砌体结构为基层的新建建筑的外墙外保温工程和既有民用建筑的外墙外保温改造工程，在有些建筑保温场合的应用效果极优甚至无可替代。

1　表面带凹坑的VIP结构

由于VIP自身的真空密封结构，在建筑隔热保温应用时不能通过直接镶嵌锚钉的方式来增强其与外墙的结合能力，从而限制了它的使用范围。为了增大VIP与外墙间的结合力，制造商通过在VIP板上开通孔，安装锚固件的方式来对其进行固定。由于VIP外表面较为平整，在一定程度上降低了与墙面间的摩擦力，在施工中若不能满足设计要求，将严重影响其上墙后的隔热保温效果，长时间会造成外墙结构的下滑、脱落，使建筑物安全性降低甚至破坏。图1为开孔芯材与带凹坑的真空绝热板。

图1　开孔芯材与带凹坑的VIP

为了增加VIP表面的粗糙度，从图1（a）可见，选取任意1层或多层芯材（开孔层数小于总芯材层数），利用模具在芯材结构上开微小孔，再将未开孔芯材与开孔芯材相叠加，抽真空后，芯材开孔处会在VIP膜材表面形成凹坑[见图1（b）]。上墙后，这些凹坑与水泥砂浆结合可看作为许多锚钉，这种结构使VIP在不依靠锚固件的情况下，也可与墙面紧密结合，通过该方法有意识地增加板的粗糙度，使得保温板上墙后的施工更为方便，进一步拓展了真空绝热板的使用范围[5]。本文对表面带凹坑的VIP作详细介绍，并讨论带凹坑VIP的导热系数及其上墙后系统的拉拔强度。

2　实验

2.1原材料

玻璃纤维芯材和真空绝热板均由苏州维艾普新材料有限公司提供。玻璃纤维棉通过离心喷吹法技术制造，纤维平均直径为2～4.5μm，并采用湿法成型技术[6]制备玻璃纤维芯材。所用VIP阻隔膜材从外到内结构依次为：玻璃纤维布、PET、尼龙、铝箔、PE。

2.2表面带凹坑的VIP导热系数测试

测试所用玻璃纤维芯材尺寸为300mm×300mm×3mm，所开孔的直径为14mm，孔与孔间距为6～15 cm，所开孔个数为0、2、4、8、10、12个。使用Netzsch HFM 436导热系数测定仪测试表面带凹坑的真空绝热板的导热系数。测试仪上板温度为35℃，下板温度为15℃，平均温度为25℃。

2.3表面带凹坑的VIP外墙外保温系统拉拔强度测试（见图2）

参照JG149—2003《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》，测试所用VIP规格为100mm×100mm×1mm，板的两面充分均匀涂刷环氧树脂AB胶，胶水厚度控制在0.5～1.0mm，板两面分别与尺寸为100mm×100mm的钢底板粘结。在标准试验条件下养护2～4 h，胶水完全干燥后，将不同开孔个数（0、6个）的VIP试样安装于SANS微机控制电子万能试验机上，拉伸速度为5mm/min，拉伸至破坏，并记录破坏时的拉力。

拉拔强度按式（1）计算：

σb=Pb/A（1）

式中：σb——拉拔强度，MPa；

Pb——破坏荷载，N；

A——试样面积，mm2。

图2　表面带凹坑的VIP外墙外保温系统拉拔强度测试

3　试验结果及分析

3.1凹坑对VIP导热系数的影响

将开孔芯材放于中间层，制备的表面带不同凹坑个数的建筑用真空绝热板进行导热系数测试，结果见表1。

由表1可知，未开孔的VIP导热系数为0.0075W/（m·K）；开孔对VIP的导热系数稍有影响。但当开孔个数达到8个、开孔面积占芯材总表面积的1.37%时，带凹坑的VIP导热系数比芯材未开孔的VIP导热系数还要低。说明通过在芯材上开孔对制备的VIP保温隔热方面同样具有优异的性能，甚至在一定条件下保温性能更加优越。

表1　带凹坑的VIP导热系数

3.2凹坑对VIP外墙外保温体系拉拔强度的影响

取带不同凹坑个数的VIP外墙外保温系统进行垂直方向的拉拔强度试验。结果表明，表面光滑的VIP外墙保温系统拉拔强度为0.83MPa，而表面带凹坑的VIP的拉拔强度可高达0.93MPa，明显大于表面光滑的VIP。图3为表面凹坑个数为6时VIP外墙保温系统的拉拔强度曲线。

图3　表面带凹坑的VIP拉拔强度曲线

当表面带凹坑的VIP面被刷上粘结砂浆后，随着砂浆的流动，则会慢慢渗入到表面凹坑内。等砂浆完全干燥后，通过砂浆与玻纤网格布膜材间的相互结合，这些凹坑内的砂浆则被视为插入VIP内部的锚固件，从而增大了VIP外墙保温系统的拉拔强度。

4　结语与展望

针对建筑用真空绝热板上墙后与墙体间结合力较差的问题，本文主要采用在芯材上制备凹坑从而得到表面带凹坑的VIP的试验研究，得到芯材开孔数量在一定范围内会提高VIP的隔热保温性能；同时从凹坑VIP外墙外保温系统的抗拉强度实验中发现，该结构的确能提高VIP外墙保温系统的抗拉强度，为以后的应用研究提供依据和参考。

在部分玻璃纤维芯材层上进行开孔，制备出表面带凹坑的VIP，以此来增加VIP在建筑隔热保温应用时与墙体间的结合，是一种新的尝试，同时理论研究也不够成熟，对开孔芯材的热流传递、表面带凹坑的VIP与砂浆之间的结合强度等研究尚属空白，结合本文的工作，认为有待进一步研究的主要问题有：

（1）开孔芯材层数、开孔位置、芯材压缩前后厚度比等会对VIP导热系数造成不同程度的影响，应从这些方面对开孔芯材、凹坑真空绝热板进行实验设计优化，使其在降低自身导热系数的同时又具有优异的物理机械性能。

（2）采用不同尺寸大小的模具对芯材进行开孔实验，得出由孔洞大小、孔隙率等一系列“尺寸效应”所带来的对VIP性能的影响。

（3）在后续工作中，讨论在真空绝热板导热系数不变的前提下板厚度与材料热阻之间的关系，通过分析和实验结果，掌握热阻不出现跳跃分布条件下，结合强度最佳的表面微坑结构及分布规律。

参考文献：

[1]Wu W P，Chen Z F，J.M.Zhou J M，et al.Thermal properties of vacuum insulation panels with glass fiber[J].Advanced Materials Research，2012，446-449：3753-3756.

[2]Fricke J，Heinemann U，Ebert H P.Vacuum insulation panelsfrom research to market[J].Vacuum，2008，82（7）：680-690.

[3]Kwon J S，Jang C H，Jung H.Effective thermal condoctivity of various filling materials for vacuum insulation panels[J].Heat Mass Transfer，2009，52：5525-5532

[4]Chen Z，Chen Z F，Qiu J L，et al.Vacuum insulation panel for green building[J].Applied Mechanics&Materials，2011，71-78：607-611.

[5]陈照峰，周介明，陈清.一种表面带凹坑的真空绝热板及其制备方法：中国，201210102060.5[P].2012-08-08.

[6]Xu T Z，Chen Z F，Zhou J M，et al.Ultrafine glass fiber core material produced by wet method[J].Applied Mechanics& Materials，2011，430-432：1343-1347.

Study on properties and structure of surface pitted vacuum insulation panels

CHEN Qing，WU Heping，YANG Chuang
（Zhejiang Quality Inspection Science Institute，Hangzhou 310018，China）

Abstract：Using mold to make a small hole on the glass fiber core structure，then overlap the core structure with and without hole，after evacuation vacuum，pit will form on the vacuum insulation panel（VIP）membrane surface at the core hole.Compare effect of different hole number on thermal conductivity of VIP，study the influence of surface pitted VIP structure on the pull-out strength of the whole system when being used as exterior insulation system.It was found that,when the number of holes reaches a certain value，the thermal conductivity of surface pitted VIP is even lower than that without holes，the pit structure has certain enhancement and improvement to the tensile strength of VIP EIFS.

Key words：vacuum insulation panels（VIP），hole core structure，pit，thermal conductivity，pull-out strength

作者简介：陈清，女，1988年生，浙江杭州人。地址：杭州市下沙11号大街6号路口，E-mail：chenqingbla@163.com。

收稿日期：2015-09-23；

修订日期：2015-11-27

中图分类号：TU55+1

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0076-03