真空绝热板内部真空度的影响因素分析及改善措施
张 宁，杨春光，高 霞，邵 雪
( 大连水产学院，制冷教研室，辽宁 大连 116023 )
摘 要：本文介绍了真空绝热板的绝热性能与板内真空度的关系，具体分析了影响真空度的因素，论述了气体渗透和内部芯材放气的机理及对板内真空度的影响情况，探讨了减少气体渗透和放气的途径和要求，指出了提高板内真空度的方法。
关键词：真空度;芯层材料;导热系数
中图分类号：TB74；TB75 文献标识码：B 文章编号：1002-0322（2010）01-0019-04
真空绝热板 （Vacuum Insulated Panel ,VIP）是一种超绝热的保温材料，厚度薄，一般在 17 mm左右，其导热系数极低，可以达到 0.004 W/ （m·K）左右，而一般的保温材料导热系数为 0.03 W/ （m·K）左右。VIP 的应用范围比较广泛，目前已经应用到冰箱、冷库、冷藏集装箱和医用保温箱等领域 [1] 。真空绝热板的性能及使用寿命的长短，很大程度上取决于 VIP 内部真空度的高低。因此本文对影响 VIP 内部真空度的因素：气体的渗透和内部芯材放气，做了理论分析研究，为 VIP 的制作提供依据。
1.板内真空度高低的影响
VIP 的芯层多为粉末或者纤维状，在导热过程中，气体的导热起了很大的作用，如果芯层被抽成真空的话，就可以显著降低 VIP 芯材的导热系数，对于提高真空绝热板的性能和延长其使用寿命越有利。
从图 1 可以看出，气体压力从大气压降到10 3 Pa 时，导热系数保持为常数，即该压力范围内的导热系数与绝热层中气体压力无关；当压力真 空 进一步降低，即压力为 1~10 3 Pa 之间时，导热系数随着压力的下降也呈下降变化趋势；在压力低于 1 Pa 时，导热系数趋于常数，这时气体导热所占比重很小。
真空绝热板成品及玻璃纤维芯材图
2. 影响真空绝热板真空度的因素
2.1 气体的渗透
2.1.1 气体渗透的方式
① VIP 芯材在抽真空密封制作时, 会有少量空气进入,这些气体包括氮气、氧气、二氧化碳和水蒸汽等；
② 对于成品芯材,会有少量空气通过边缘粘结处渗入；
③ 在使用过程中,也会有少量气体透过表面薄膜进入 VIP 中；
④ 由于 VIP 内部是真空环境,在使用过程中,溶解在内部芯材中的气体和水蒸汽会产生真空放气现象。
2.1.2 气体渗透的影响
芯层绝热材料为多孔结构,容易吸收水分。另外,芯层材料在使用的过程中,也会因老化分解而释放一部分水分和气体。水的导热系数为空气的 25 倍, 研究表明: 当含湿率大于 5%～10%,绝热材料吸湿后水分占据了多空介质的气孔空间,引起其导热系数的急剧升高。导热系数为 0.03 W/m·K 的绝热材料, 吸取 1%的水分后导热系数增加 25%,以后按倍数增加。如果绝热材料有开口连通气孔, 水分会在毛细管作用下渗透到其他部位,危害更大 。随着时间延长，越来越多的气体渗透进入到真空绝热板，板内的真空压力会在一定程度上升高，从而降低 VIP 的真空度，以至增大导热系数，严重影响绝热效果。图2，3 分别为随着水蒸汽和氧气不断渗透压力的变化情况。
2.2 内部芯材放气的来源及影响
由于泡沫芯材实际开孔率为 95%左右，还存在少量闭孔。在真空环境中，闭孔泡沫中的气体和泡沫壁中溶解的极少量发泡剂以及胺催化剂等挥发成分会缓慢逸出，发生真空放气现象；另外在箱体发泡过程中，箱体的预热 （约 50℃）使芯材表面温度升高，加快上述气体的逸出，释放出的气体导致真空度下降，降低了绝热性能。芯材放气与压力的关系如图 4 可知：在 20 年中，随着时间的延长，气体缓慢逸出，并逐渐增多，致使芯材内部压力的上升，因而导致导热系数增大，VIP 的隔热性能恶化。图 4 20 年中的气体逸出量与内部压力变化的关系
3. 提高真空绝热板真空度的途径真空度的高低是衡量真空绝热板性能及使用寿命长短的重要指标，为保证板内较高的真空度，提高 VIP 的隔热性能，可以从以减少气体渗透和芯材放气方面着手。
3.1 减少气体的渗透
3.1.1 表面薄膜的选取早期的表面隔膜采用金属膜, 虽然这种膜有着很强的抵抗气体渗透能力, 但金属增加了板的传热性, 热量会顺着含有金属的边缘进行渗透, 这样导致热量损失比较严重, 它与现在广泛使 用 的 表 面 隔 膜 相 比 , 热 量 损 失 增 加 了49%。因此为了使隔膜既能提供较强的抗气体渗透能力, 又能最大程度上减小热量的传递,现在大多采用了金属与塑料的复合膜, 以镀铝薄膜用得最多，它能够有效地抑制气体和水蒸汽的渗透速率，使其保持在每天 1 g/m 2 以下[11] 。表 1 为在典型使用条件下一些新型表面隔膜材料与传统表面隔膜材料在抗气体渗透性能方面的对比。新开发的表面隔膜材料对气体的阻隔性能已大大由于金属复合膜的性能。对金属的取代意味着真空绝热板的边界热效应基本可以消除，可以进一步提高真空绝热板的绝热性能。
3.1.2 干燥剂与吸气剂的使用吸气剂及干燥剂都是用来吸收来自真空绝热板内的气体，以维持板内真空压力，保证真空绝热板的使用寿命。由于吸气剂具有高度的选择性，因此，在选择吸气剂的类型时，应根据芯材及表面薄膜类型，对真空板内可能出现的气体进行较为准确的分析预测。同时，根据真空板内气体的可能数量及对真空板的预期使用寿命，确定吸气剂及干燥剂的用量。此外，对于大部分吸气剂，在吸收了水汽后，其吸气性能将受到严重影响，因此在吸气剂与干燥剂的布置上应遵循“先干燥，后吸气”的原则，以最大程度上发挥吸气剂与干燥剂的效能 [1] 。
此外，在吸气剂开发方面，以 SAES 为代表的 吸 气 剂 生 产 厂 家 开 发 了 一 种 商 品 名 叫 做COMBOGETTER TM 的吸气剂，它是由钡和锂以 1：4的比例配制而成的新型合金材料，并在室温下发生了化学吸收现象：其每克合金所吸收的氮气量超过了 25 mbar；并且在合金中添加了 CaO 和Co 3 O 4 的化学物质，这样不但能够吸收水汽、氢气还能充分吸收 VIP 使用过程中的溶解在泡沫壁内的发泡剂 R141b 和环戊烷 [12] 。
3.1.3 真空绝热板外形尺寸的筛选对于同一种材质，同一制造工艺而言，气体渗透及泄漏的程度与几何尺寸的大小直接相关。表面薄膜面积愈大，封口愈长，则真空绝热板内的气体渗透及泄漏现象也愈严重。此外，真空绝热板的外形尺寸对其边界传热效应的影响也很密切 [1] 。在尺寸大的 VIP 中, 表面隔膜的面积与密封剂面积 (密封层的厚度乘以密封长度) 之比很大, 这样水蒸汽主要由表面隔膜向内部渗透。相反, 在小面积的板材中, 粘结剂的面积占有很大的比重, 水蒸汽通过密封剂的渗透也占有很大的比例 [7] 。水蒸汽压力大小与周长成线性回归关系如图 5,结论如下（注：AF 材料为铝膜，MF 材料为多层铝膜；1，2 为不同几何尺寸）。
(1) 采用不同的表面薄膜其压力增长率不同，其中以应用 MF1 的压力增长率最高；
(2) 压力增长率的快慢很大程度上取决于温度的高低；
(3) 随着时间延长，芯材周长每扩大 1 倍，水蒸汽压力大约增大 50%左右。
温度、压力分别为：45℃，14mbar；选用的芯材材料分别为 MF1，
AF，MF2；尺寸分别为 10×10×1 cm 3 和 20×20×1 cm 3
图 5 随着时间变化几种不同尺寸芯材的压力变化情况 [13] 。
3.2 减少内部芯材放气
3.2.1 芯材封装前的预处理
国外文献中提到的将芯材在封装前进行预处理及在真空板中封入吸气剂的方法，对于解决VIP 的出气问题比较有效。本文应用的方法是将预处理及封装工艺结合起来进行，即将芯材在120℃下烘烤 30 min 后，立刻在 1.33～13.3 Pa 的真空度下进行抽空，同时封入一定量的吸气剂。经过处理的封装板材与未经处理的板材相比，导热系数随时间的变化很小，且能够保证板内较低的真空压力[14,15] 。
3.2.2 提高泡沫芯材开孔率的方法在实际应用中，泡沫芯材的开孔率并不能达
到 100%，是存在一定闭孔的，随着时间的变化，溶解在闭孔当中的气体会逐渐释放出来，致使内项目氧气渗透速率部压力上升，破坏芯材内部的真空度，令真空绝热板的性能恶化，因此泡沫芯材开孔率的高低对于板内压力高低的影响是不可忽略的。下面提出了提高泡沫芯材的开孔率的方法：
(1) 开孔剂和泡沫稳定剂的相对含量的控制开孔剂用量高有助于泡沫开孔，却使孔径变大；反之，稳定剂虽有利于孔径优化，但却抑制泡沫开孔，因此，如何协调二者的关系是研究的难点。
表 2 列出了开孔剂质量分数为 1 时不同质量分数的稳定剂对聚氨酯真空隔热板 PU- VIP 泡沫开孔率和孔径的影响。
表 2 稳定剂对芯材泡沫开孔率和孔径的影响 [15]
由表 2 可见，开孔剂和泡沫稳定剂在配方体系中虽用量很小，但其相对用量对泡沫开孔率及孔径大小的影响却十分显著。
注：(1) 相对于 100 质量份聚醚多元醇的用量;
(2) 使用聚醚多元醇作为泡沫配制剂。
对于采用聚醚多羟基化合物作为泡沫配制剂的芯材，其吸附活性强度对芯材泡沫开孔率的大小有很大影响，如采用高活性聚醚多元醇（羟值小于 50 mgKOH/g），虽很容易得到高开孔率、细孔的理想泡沫，但泡沫强度差，难以达到要求，真空封装后泡沫易变形；反之，选用硬质 PU 泡沫常用的高羟值低分子量的聚醚多元醇，虽解决了强度问题，但泡沫不易开孔，孔径也不理想。因此本文所选用的是两种国产高羟值聚醚多元醇为主的化合物，其羟值分别为 400 和 500 mgKOH/g，另加入一定量羟值小于 50 mgKOH/g 低羟值的高活性聚醚多元醇。再通过调整开孔剂、稳定剂等助剂的用量，保证了芯材的强度达到要求，得到满意的产品 [15] 。
4 结论
尽管真空绝热板具有良好的绝热性能，但是内部压力的高低限制了其在实践中的应用，这主要是因为气体的渗透和内部芯材的放气降低了真空度，使绝热性能恶化。最近几年来，世界各国对真空绝热板的自主开发和研制取得了一定的研究成果，通过应用吸气剂、干燥剂、芯材尺寸大小的控制、芯材封装预处理以及泡沫芯材开孔率的提高等途径保证板内一定的真空度，使 VIP 内部真空度控制在理想范围内，最终达到提高真空
绝热板绝热性能的目的。
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