纳米微孔绝热板在铂金通道保温结构上的应用

胡 曦

(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)

近年来，随着韩国、日本和台湾省的液晶面板产业逐步向中国大陆聚集，同时国内多条G8.5及以上高世代液晶面板建设投产，我国液晶面板显示技术得到了飞速发展。液晶显示面板下游应用广泛，目前主要需求集中在液晶电视、平板电脑、智能手机、车载显示屏等领域，随着工业4.0和消费水平升级，可穿戴电子产品、人工智能、智慧城市等新兴行业都是未来的增量点。尤其是在互联网的普及以及物联网的快速发展下，显示屏作为人机交互最主要的方式，其市场规模正在随着终端设备数量和显示面积的增加而不断扩大。

从现有液晶面板产业来看，无论是TFT-LCD亦或AMOLED，基板玻璃都是其生产所需的重要材料。根据显示技术、器件结构和应用场景的不同，会额外需要单层或多层的玻璃。因此，基板玻璃是构成液晶显示器件的重要部件，也是液晶显示产业的关键基础材料之一，基板玻璃约占液晶显示器件生产成本的4%[1]。

然而平板显示用基板玻璃制造工艺复杂，工序繁多，且各工艺环节间联系密切。又因为该玻璃为无碱玻璃，且在熔制后玻璃液的表面张力很大，对气泡的要求极高，所以该玻璃材料与其他玻璃材料相比需要更高的澄清温度。

目前，市场上广泛采用带铂金通道的熔化系统用于平板显示用基板玻璃的生产制造。铂金通道一般分为澄清段、冷却段、搅拌段、供料段，由于流量控制精度要求高，选择电加热系统控制铂金通道的温度，进而控制其黏度。而澄清段作为主要的澄清区域，通常是整个通道中温度最高的，一般能达到1 640 ℃左右。随着液晶玻璃基板品质要求的不断提高，尺寸越来越向大型化发展，铂金通道的熔融玻璃液输送量需求增加，对铂金通道澄清段的要求也越来越高。由于该段温度很高，因此优化该区域的保温结构对生产具有重大的实际意义。

1 利用纳米微孔绝热板进行保温结构优化

由于铂金通道厂房为恒温恒湿的密闭环境，因此，铂金通道保温结构的耐火材料应具备适应该环境的特性，且导热系数越小越好，以便节省空间。

目前，市场上的保温材料日新月异，而纳米微孔绝热板可以说是高温绝热的一种绝佳材料。这种材料技术先进，经济效益高，它不但可以获得极高的绝热性能，同时还可以大幅度降低绝热层的厚度。此外，纳米微孔绝热板的阻燃性能极佳，达到行业标准的“A级”耐火等级。因此，笔者提出在铂金通道澄清段中使用纳米微孔绝热板，来加强保温效果。

纳米微孔绝热材料极低的导热率使它具有卓越的绝热性能，以及很小的空间占用率。纳米微孔材料的特殊结构以及遮光剂的使用，使得所有热传输效应——热传导、热对流和热辐射都被抑制到了大气压下的物理极限。具体来说，纳米微孔材料极低的导热系数源于三方面:一是二氧化硅粒子之间的间距约为10 nm，非常细小。二氧化硅粒子之间只能以单个的点式接触，由此热传导能量被降低至最低。二是气相二氧化硅极细小的气孔间距小于空气分子之间相互传递能量所需的最短距离，因此热对流传递的能量被降至最低。三是遮光剂和红外阻隔剂能将热辐射反射回去，使得热辐射的能量降至最低。

通过实验和比较，笔者最终选择了优尼科绝热技术有限公司的TT 1050 plus产品，并对该产品的结构进行计算，了解了纳米微孔绝热板对铂金通道保温的具体作用。该产品除了卓越的绝热性能外，还具有极佳的抗弯强度 ，加工快捷方便，产品再加工破损率降至最低。无毒无害，在安全性方面具有很大优势，符合规定，废弃后处理成本低，操作时对人体健康无害。另外，通过对TT 1050 plus进行长期的高温处理，笔者发现该产品粉尘较多，高温下比较容易脱落。因此，使用TT 1050 plus时建议采用包覆结构，不仅可以大大减少粉尘，还能提供额外的加固，在安装期间降低产品损伤的风险。目前优尼科绝热技术有限公司提供POF收缩膜、铝箔膜或者玻纤布复合的包覆结构[2]。

2 保温结构优化实例

2.1 现有保温结构及散热计算

笔者选取国内现有的一条具有普遍结构的铂金通道的澄清段进行散热计算。该通道保温砖全部采用日本伊索莱特公司的产品，铂金管外的保温材料依次为30 mm厚的氧化铝粉末，70 mm厚的烧结刚玉砖，65 mm厚的LAP165保温砖,130 mm厚的LBK3000保温砖，100 mm厚的1700BOARD保温板,除氧化铝粉末外所有耐火材料全部干砌。

可以看出，该澄清段由铂金管本体和耐火材料组成，其传热过程主要包括：1)管体内气体或玻璃液与铂金管的辐射和对流；2)铂金管和耐火材料的热传导；3)耐火材料与环境——大气的对流和辐射。

因为澄清段是对铂金管进行加热，因此可以大致认为最内层耐火材料温度与铂金管设定温度相等，近似的通过平壁的散热公式计算澄清段的散热量。

式中，tw，1为耐火材料内壁温度，℃；t2为周围空气的温度，℃；δi为各层砖的厚度，m；λi为各层砖的导热系数，kcal/(m·h·℃)；α2为墙体外表面对空气的传热系数，kcal/(m2·h)。

为了方便统一比较，笔者选取侧墙进行计算，侧墙对空气的传热系数如下

其中，tw，2为墙体外表面温度，℃。

第一层与第二层之间的界面温度为

第二层与第三层之间的界面温度为

其他各层之间的界面温度以此类推[3]。

由于在不同温度下，耐火材料具有不同的导热系数，因此，笔者采用试差法进行多次核算。设定环境温度为30 ℃，铂金管温度为1 600 ℃的情况下最终得出表1的计算结果。

表1 现有铂金通道保温结构中各层散热计算结果

表1中可以看出该保温结构的表面温度为117 ℃，单位面积的散热损失为1 177.30 kcal/m2h。

2.2 追加纳米微孔绝热板保温层

为了能进一步降低表面温度，减少散热损失，笔者在现有结构的基础上，仅仅在最外侧追加了20 mm厚的纳米微孔绝热板，其他保温结构保持不变，同样通过之前的公式采用试差法进行计算，计算结果如表2所示。

表2 追加纳米微孔绝热板的保温结构中各层散热计算结果

从表2可以看出，由于追加了纳米微孔绝热板，墙体表面的温度降低至99 ℃，单位面积的散热损失也降低至862.97 kcal/m2h，降幅达到了27%，说明纳米微孔绝热板确实可以显著地降低澄清段墙体的散热量，极大地降低能耗。

2.3 调整保温层结构

通过计算可以看出，LAP165砖的内侧温度最高达到了1 559 ℃，LBK3000的内侧温度最高达到了1 460 ℃，这对长期生产来说是比较危险的。因此，笔者决定使用同为伊索莱特公司的BAL99来代替LAP165，BAL99用氧化铝空心球作为原料，以Al2O3含有量99%来制造，因此具有很高的耐火度，最高使用温度达到了1 800 ℃，但BAL99的导热系数比LAP165稍大，保温性能没有LAP165优秀。新的保温结构方案和计算结果如表3所示。

表3 对纳米微孔绝热板进行优化的保温结构中各层散热计算结果

从表3中可以看出，BAL99的内侧温度最高为1 557 ℃，LBK3000的内侧温度最高为1 412 ℃，两者均在各自长期使用温度范围内，并且表面温度为101 ℃，散热损失为902.80 kcal/m2h，虽说比不上表2中数据得到的保温效果，但较表1中的数据还是有很明显的优势，散热量减少了23%，而且该结构不存在耐火材料高温下的使用风险。

3 结 论

通过以上的方案数据对比可以看出，在铂金通道澄清段最外侧增加纳米微孔绝热板进行保温，能一定程度上有效地降低表面温度，减少散热损失，虽然由于实际生产中存在许多其他的热量损耗，纳米微孔绝热板可能达不到理论计算那么好的节能效果，但是作为提高生产效益，提升玻璃质量的一个措施，纳米微孔绝热板肯定是不错的选择。相应地，在增加纳米微孔绝热板的基础上再对砖材进行进一步优化设计，还能使整个结构保持原有的物理强度，笔者认为纳米微孔绝热板在铂金通道上具有很广泛的应用前景。