竹纤维真空绝热板芯材的结构和性能研究

董 旭 戴达松 范毜仔 赵伟刚 李玉歧 赵 鹤 吴 慧 黄六莲 陈礼辉

(福建农林大学材料工程学院，福建福州，350108)

·竹纤维真空绝热板芯材·

竹纤维真空绝热板芯材的结构和性能研究

董 旭 戴达松 范毜仔 赵伟刚 李玉歧 赵 鹤 吴 慧 黄六莲 陈礼辉*

(福建农林大学材料工程学院，福建福州，350108)

以漂白竹浆为原料，探讨了打浆度对竹纤维真空绝热板芯材结构和性能的影响，以期获得隔热性能较好的竹纤维真空绝热板。结果表明，在打浆度为14.9°SR条件下，竹纤维真空绝热板芯材的平均孔径为21.7 μm，孔隙率为75.7%，密度为0.287 g/cm3；由其制备出的竹纤维真空绝热板导热系数为12.6 mW/(m·K)，具有较好的隔热性能。通过扫描电子显微镜和透气度测定仪分析表明，随着打浆度的增加，竹纤维真空绝热板芯材纤维表面分丝帚化严重，结构致密，透气性能降低。

竹纤维；打浆度；孔隙率；导热系数

随着我国经济的持续快速发展，大量能源的消耗及其污染物的排放量剧增，使得我国的能源贮备和环境安全面临严峻考验。据统计，我国是世界上最大的建筑市场，建筑能耗占全社会能耗的27%，若不采取节能措施，到2020年建筑能耗将达到全国的50%[1]。因此，为了达成国家所制定的节能目标，研究开发新型高效、节能环保的绿色保温材料，对于避免能源危机的发生和环境的持续恶化具有重大的意义。

近年来，我国保温材料发展迅猛，其中非常具有应用前景的是真空绝热板(Vacuum Insulation Panel， VIP)，它是基于真空绝热原理而制成的一种新型、高效保温材料。与传统的聚氨酯泡沫或聚苯乙烯泡沫板等普通保温材料相比，真空绝热板(VIP)隔热性能高出10倍以上，而厚度仅为传统保温材料的1/10，因而其具有节约能源和提高空间利用率的双重优点，得到了广大科研人员的高度关注[2]。

VIP主要结构是由芯材、阻隔膜和吸气剂三部分组成，其结构示意图如图1所示[3]。其中，芯材是VIP的核心技术，是VIP获得超级隔热性能的关键。Alam.M等人[3]研制出了一种以气相二氧硅和膨胀珍珠岩为芯材原料，最低导热系数为24 mW/(m·K)的VIP，并通过优化膨胀珍珠岩添加量降低VIP的生产成本；Boafo.F.E等人[4]研制了一种以玻璃纤维为芯材原料、导热系数为4.8 mW/(m·K)的VIP；Fricke.J等人[5]研制出了一种气相二氧化硅为芯材原料、导热系数为4.0 mW/(m·K)的VIP。虽然有关VIP芯材材料的研究很多，但主要研究方向都是使用玻璃纤维、二氧化硅和膨胀珍珠岩等无机材料，而忽略了玻璃纤维难分散、成型后强度低、需加入胶黏剂等物质，以及二氧化硅芯材制备工艺复杂、易溃散等缺点。而且无机材料具有生产成本高、不易降解、不可再生、有毒有害、给人类生存环境造成巨大的负担等问题。许多科研人员试图用有机材料代替无机材料制备VIP芯材，但至今未见成功的报道。竹纤维具有成本低、来源广、可生物降解、可再生[6]和保温性能好等优点，而且在水中易分散且纤维之间具有氢键结合力[7]，也不需加入胶黏剂，可有效地解决上述问题。因此，本课题采用竹纤维作为VIP芯材；探究竹纤维作为VIP芯材的应用前景，为VIP的生产研发和实际生产提供参考现实意义。

图1 VIP结构示意图

1 实 验

1.1 实验原料与设备

原料：漂白竹浆板，四川永丰纸业股份有限公司提供。

设备：YZ600电子天平，上海香鹰衡器有限公司；DHG-9145A鼓风干燥箱，上海慧泰仪器制造有限公司；TD6-23打浆机(Valley式)，咸阳通达轻工设备有限公司；J-DJY100纸浆打浆度测定仪，四川长江造纸仪器有限责任公司；ZQJ1-200纸页抄取器，陕西科技大学机械厂；KT-200真空封装机，四川华新南光真空设备有限公司；S4800扫描电镜，日本日立建机株式会社；AUTOPORE9500压汞仪，美国麦克仪器公司；AT-TQ-2数字式透气度测试仪，山东安尼麦特仪器有限公司； HFM436热流法导热仪，NETZSCH仪器(上海)有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1竹纤维VIP的制备

以漂白竹浆为原料，采用Valley打浆机，制备出5种打浆度的竹纤维浆料；按照手抄片定量为100 g/m2称取浆料，采用纸页抄取器，经成形,将湿纸幅和毛布放鼓风干燥箱中，其中干燥温度55℃，干燥时间3 h；取出后揭下毛布，将未完全干燥的手抄片叠放在磨具中，放入鼓风干燥箱，干燥温度105℃，直至完全干燥后，制成竹纤维VIP芯材；最后，取出叠放的芯材，将其装入阻隔膜中后，放到真空封装机中，封装成竹纤维VIP；其中封装真空度为0.05 Pa。

1.2.2竹纤维VIP芯材的微观结构观察

利用扫描电子显微镜(SEM)观察竹纤维VIP芯材表面的微观结构。在芯材上裁取10 mm×10 mm尺寸的样品，进行喷金处理后，采用二次电子成像模式进行检测，加速电压为5 kV。

1.2.3竹纤维VIP芯材的孔隙结构测试

利用压汞仪测量竹纤维VIP芯材的孔隙结构。称取0.06 g左右芯材，装入固体膨胀计内，密封，然后将其放入低压站内分析。低压分析过程中，通过抽真空将汞在负压抽吸的作用下注入膨胀计，膨胀计抽真空至50 μmHg，汞填充压力为2.00 psi(1 MPa=145 psi)。低压分析完成后，再进行高压分析，试样中的大孔和小孔分别在低压分析过程和高压分析过程中被汞填充。

1.2.4竹纤维VIP芯材的透气度测试

利用数字式透气度测试仪按照国家标准(GB/T5453)检测方法测量竹纤维VIP芯材的透气度。选取芯材面积为20 cm2，在压力200 Pa下，测定竹纤维VIP芯材的透气度。

1.2.5竹纤维VIP的导热系数测试

利用热流法导热仪测量竹纤维VIP的导热系数。将竹纤维VIP放入导热系数测定仪的样品室后，设置测试平均温度25℃，冷板与热板温差30℃，标准差为0.2%。

2 结果与讨论

2.1 竹纤维VIP芯材的表面形貌结构分析

利用扫描电子显微镜(SEM)测量竹纤维VIP芯材的表面形貌结构。不同打浆度下竹纤维VIP芯材表面形貌结构见图2。对比图2(a)、图2(b)与图2(c)可见，在打浆度 14.9°SR下，竹纤维分丝帚化和细纤维化不明显，纤维与纤维间交织不紧密，形成孔隙的尺寸较大，芯材结构疏松；在打浆度 35.3°SR下，竹纤维分丝帚化和细纤维化较严重，纤维间相互结合较紧密，纤维间形成的孔隙较小，芯材结构较严密；在打浆度 54.8°SR下，竹纤维分丝帚化和细纤维很严重，纤维间相互结合紧密，竹纤维间形成孔隙很小，芯材结构致密。原因可能是由于随着打浆度逐渐增大，纤维在打浆的过程中，受到了机械作用而产生纤维的纵向分裂，使得纤维分丝帚化和细纤维化越来越严重，纤维表面暴露出了更多的羟基，纤维间形成的氢键更多，纤维结合力变大，纤维与纤维间结合的更紧密[8]。

图2 不同打浆度下竹纤维VIP芯材的SEM图

打浆度/°SR芯材孔径/μm中值孔径平均孔径总孔体积/cm3·g-1总孔面积/m2·g-1孔隙率/%堆积密度/g·cm-314.920.521.72.640.63775.70.28724.816.218.51.9740.55067.80.34335.314.617.81.8140.53565.10.35945.213.317.51.650.51362.40.37954.810.414.71.160.43849.20.425

2.2 竹纤维VIP芯材内部结构的分析

竹纤维VIP芯材的内部孔隙结构是影响竹纤维VIP导热性能至关重要的因素。因此，研究不同打浆度下芯材结构的变化至关重要[9]。不同打浆度下芯材的孔隙结构参数结果见表1。由表1可知，当打浆度从14.9°SR上升到54.8°SR时，芯材平均孔径从21.7 μm减小至14.7 μm；芯材总孔体积从2.64 cm3/g减小至1.16 cm3/g；芯材总孔面积从0.637 m2/g 减小至0.438 m2/g；芯材堆积密度从0.287 g/cm3增大至0.425 g/cm3；芯材孔隙率从75.7%减小至49.2%，降幅为35%。由此可见，随着打浆度的增大，使得芯材平均孔径变小，总孔体积变小，密度变大，孔隙率变小。这是因为随着打浆度的不断增大，芯材孔隙尺寸不断变小，结构越趋于致密，使得芯材内部的中值孔径(基于体积)和平均孔径不断变小，竹纤维VIP芯材总孔体积和总孔面积呈现逐渐下降的趋势，孔隙率越来越低，密度越来越大。

图3 不同打浆度下竹纤维VIP芯材的差异入侵和累积入侵的分布曲线

在不同打浆度下，竹纤维VIP芯材的差异入侵曲线和累积入侵曲线见图3。其中，差异入侵曲线是指芯材在不同的孔径大小下侵入汞的体积与差异增量的比值(见图3(a)); 累积入侵曲线是指芯材在不同的孔径大小下累积侵入汞的百分含量(见图3(b))[10]。因此，差异入侵曲线可以很好地反映相应芯材孔隙结构中毛孔数量，累积入侵曲线可以很好地反映相应芯材孔隙结构中毛孔分布。由图3(a)可知，不同打浆度下的竹纤维VIP芯材的孔隙主要为大孔隙，分布在10～20 μm区间内；其中，当打浆度为14.9°SR时，竹纤维VIP芯材在孔径直径20 μm左右处有峰，孔隙数量最多；随着打浆度的增大，导致了峰向左移动。由图3(b)可知，当打浆度为14.9°SR时，在孔径1～12 μm区间内，累计入侵比例从99.5%降低到86.1%，分布比例仅为13.4%；而当打浆度提高到54.8°SR，累计入侵比例从99.1%降低到46.2%，分布比例高达52.9%。因此，随着打浆度的增加，孔隙尺寸不断变小，使得芯材的大孔比例大幅度下降，结构趋于致密。

2.3 竹纤维VIP芯材的透气性能分析

竹纤维VIP芯材的透气性能会影响到VIP制备过程中抽真空工艺和绝热板内真空度的大小。在实际生产过程中，往往要求芯材透气性能较高，便于抽真空，从而保持更高的真空度，提高隔热性能[11]。

芯材的透气性能可以用透气度来表示，透气度是指物体或介质允许气体通过的程度，在规定的压差条件下，测定一定时间内垂直通过试样给定面积的气流流量，再计算出透气量。不同打浆度下芯材的透气度变化见图4。由图4可知，当打浆度从14.9°SR上升到54.8°SR时，芯材透气度从176.2 mm/s减至39.6 mm/s，降幅为70%。由此可见，打浆度对竹纤维VIP芯材透气度影响显著，随着打浆度的增大，芯材的透气度减小[12]。这是因为随着竹纤维打浆度的增大，使得纤维与纤维之间交织的更紧密，竹纤维VIP芯材结构孔隙率逐渐降低，大孔隙被压缩成孔径较小的孔隙；当气流通过芯材内部时，使得气体分子与纤维碰撞的几率变大，被碰撞的气体分子的动能损失后，导致气体流速降低，从而使得单位时间内通过芯材的气流量减少，透气度减小[13]。这就造成了在抽真空过程中，芯材内部气体不易被抽出，导致了VIP内部真空度降低，进而降低了VIP的隔热性能[14]。

图4 不同打浆度下竹纤维VIP芯材透气度变化

2.4 竹纤维VIP的隔热性能分析

在竹纤维VIP中，热量的传递主要经过3种途径，即固体传导传热、气体对流传热和辐射传热。其中，导热系数是这三种传热途径最直接的反映，它是衡量保温材料性能优劣的一项重要指标。当保温材料具有很低导热系数时，它的隔热性能会越好，可以获得更好的节能效果。本课题采用热流法导热仪测定竹纤维VIP的导热系数。热流法导热仪的工作原理是将样品放入冷热两块平板之间，通过设定测试温度、精确度等条件，使上下板分别达到不同的恒定温度；由于样品上下表面有温度差，所以热流就从热板流经样品最终流到冷板，当测试部分达到热平衡时，再通过傅立叶热流方程计算得出导热系数。

图5所示为不同打浆度竹纤维VIP的导热系数的变化。由图5可知，当打浆度从14.9°SR上升到54.8°SR时，竹纤维VIP的导热系数从12.6 mW/(m·K)增大至23.9 mW/(m·K)，增幅25%；由此可见，随着打浆度的增大，使得竹纤维VIP的导热性能逐渐变大，竹纤维VIP的隔热性能越来越差；当打浆度为14.9°SR时，竹纤维VIP的导热系数最小，具有较好的隔热性能。这可能是由于随着打浆度的增大，对芯材的孔隙结构影响很大，从而对竹纤维VIP的导热性能产生影响。

图5 不同打浆度下竹纤维VIP导热性能的变化

另外，孔隙率是反映芯材结构变化的重要参数，会对VIP的隔热性能产生很大影响[15]。图6所示为孔隙率对竹纤维VIP导热系数的影响。由图6可知，当芯材孔隙率从49.2%增大至75.7%时，竹纤维VIP的导热系数从23.9 mW/(m·K)降低至12.6 mW/(m·K)，降幅为25%；由此可见，随着孔隙率的增大，竹纤维VIP的导热系数逐渐降低，竹纤维VIP的隔热性能越来越好。随着打浆度的增大，竹纤维VIP芯材的密度越来越大，孔隙率越来越低，孔隙结构变化明显。而密度和孔隙率的大小直接影响着芯材中的固体传导传热、气体对流传热和辐射传热。这主要是因为随着密度增大、孔隙率的降低，使得纤维与纤维间接触点就越多，固体传热途径越多，大大增加了固体传导传热，从而使得竹纤维VIP的导热系数变大，隔热性能变差。

图6 孔隙率对竹纤维VIP导热性能的影响

3 结 论

本课题以漂白竹浆为原料，探讨了不同打浆度对竹纤维VIP芯材结构和性能的影响。

(1)打浆度从14.9°SR上升至54.8°SR时，VIP芯材的平均孔径不断变小，孔隙率不断降低，孔隙率从75.9%减小至49.2%，降幅35%，使得芯材结构越来越致密。

(2)打浆度从14.9°SR上升至54.8°SR，VIP芯材的透气度从176.2 mm/s减至39.6 mm/s,降幅达到70%，芯材透气性能不断下降，这样不利于VIP制备过程中内部抽真空工艺及保持较高的真空度。

(3)打浆度从14.9°SR上升至54.8°SR，导热系数从12.6 mW/(m·K)增大至23.9 mW/(m·K)，增幅达到25%以上，导致竹纤维VIP的隔热性能越来越差。

(4)在打浆度14.9°SR下，竹纤维VIP芯材的平均孔径为21.7 μm，孔隙率为75.7%，密度为0.287 g/cm3；由其制备的竹纤维VIP的导热系数为12.6 mW/(m·K)。

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StructureandPropertyoftheVacuumCoreMaterialofInsulationPanelMadeoftheBambooFibers

DONG Xu DAI Da-song FAN Mi-zi ZHAO Wei-gang LI Yu-qi ZHAO He WU hui HUANG Liu-lian CHEN Li-hui*

(CollegeofMaterialandEngineering,FujianAgricultureandForestUniversity,Fuzhou,FujianProvince, 350108)

The effects of beating degree on of bamboo fibers the structure and property of the core material of vacuum insulation panel made of bamboo fibers were studied in order to obtain the better insulation performance of the vacuum insulation panel. The results showed that the average pore diameter porosity and density of the core material of vacuum insulation panel were 21.7 μm， 75.7% and 0.287 g/cm3respectively when beating degree of the bamboo fibers was 14.9°SR, thermal conductivity of the vacuum insulation panel was 12.6 mW/(m·k)which load better insulation performance. SEM observation and air permeability testing results showed that the core material became more compact with lower air permeability as further fibrillation of the fibers with increasing of beating degree.

bamboo fiber； beating degree； porosity； thermal conductivity

董 旭先生，在读硕士研究生；主要从事植物纤维化学与新材料研究。

TS761

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.12.008

2017- 09- 06(修改稿)

纳米重组木纤维真空绝热板的研发与产业化(119k-6015001A)。

*通信作者:陈礼辉，博士，教授；主要研究方向：植物纤维化学与新材料研究。

(*E-mail: FAFUCLH@163.com)

吴博士)