真空绝热板在建筑中的应用及其基本性能、老化机制和使用寿命

真空绝热板在建筑中的应用及其基本性能、老化机制和使用寿命

摘要

真空绝热板（VIP）是最近建筑工程学中引进的一种高效保温隔热组件。其高热阻是实现超薄质轻的一种新方案，也是实现能源高效利用的一个新方案。VIP在建筑应用中的关键问题：一个是尽可能减少上墙后的失效；另一个是常规应力尤其是高温和酸性条件下确保有几十年的使用寿命。然而，到现在为止，对于VIP长期使用的性能和耐用性方面的研究却鲜有报道。本文研究了VIP的老化机制并考察了不同的温度和湿度条件下诱导老化的实验结果。根据在稳定状态下所测得的数据提出了一个解释机理。对于特殊应用的VIP，其内部压强的增加是在一个动态热模型的基础上计算而得到的。并且进一步讨论了VIP使用寿命的评判标准和各自使用寿命的估计值。

关键词：真空绝热板；高效保温板；外墙用保温板；加速老化；使用寿命预测 1、前言

在过去几年中外墙用保温板也就是所谓的真空绝热板（VIP），作为一个新型的保温隔热板应用于建筑的外墙，已被引入到建筑工程[1]。跟传统的保温隔热板相比，热流在VIP垂直方向上的传播热阻要高5-10倍，为超薄、高效建筑外墙用保温板的设计开启了一个新的领域。例如，公寓楼的绝缘阳台屋顶保温板的使用，如图1所示。真空绝热板的基本组成是由微孔的芯材，而芯材是抽真空后封装于一个薄的真空包装袋内的（图2）。随着开孔聚苯乙烯泡沫塑料作为芯材在制冷行业的长期使用，气相二氧化硅粉末（白炭黑）也已成为建筑用VIP芯材主要的组成部分。其中一个原因是这种材料的严格低压要求。压缩到约200kg/m3的二氧化硅晶粒之间的孔径远远低于大气中的气体分子的平均自由路径，在内部压强低于1 mbar。因此，分子的碰撞率大大减少，气体的热传导几乎可以忽略不计。热传导是有限的固体传导（2–3 mWm-1K-1），和热辐射（由于遮光剂的添加约降到1mWm-1K-1）。因此，以分散气相二氧化硅为芯材的导热系数约为4mWm-1K-1。显然，当考虑到在建筑中的长时间应用时，核心问题是VIP内部的低气压和内部的干燥状态。因为更换VIP往往是昂贵的或几乎是不可能的，所以作为内置组件希望它的使用寿命为30年，50年或者更长时间。众所周

H.Simmler*,S.Brunner

知，厚度约为10微米或者大于10微米的金属层可以作为持续高效的阻隔层。事实上，在VIP产品的第一阶段，使用的是这个厚度范围内的夹层铝箔。然而，热电阻测量和大量的数值计算[2]显示，通过金属箔边缘传播的热流比通过VIP芯材的热流量大。为了阻止的热量的损失和气体渗透，现在已广泛使用厚度在30-100纳米范围内的3层金属聚合物薄膜。虽然跟单金属薄膜相比有更好的性能，但我们却不知道这些屏障能否在严格的要求下保证50年左右的使用寿命。在本试验中，从相关性能的不可逆性退化角度讨论VIP及其组件的老化问题。进一步报道了关于VIP在湿热条件下实验的设计及实验结果。基于这些加速老化因素的分析获得，现对两类建筑用VIP的使用寿命进行预测：一种是露台，也是目前瑞士的VIP主要应用场所；另一种是利用其节能潜力的假想建筑用墙。在设计瑞士的苏黎世机场时，VIP就应用于室外的边界条件，在不同的温度和湿度应力的条件下服役。

Fig. 1. Section of a VIP. The nano-porous fumed silicamaterial is pressed in a PE ?eece and sealed in a three-fold metallized polymer envelope under

vacuum (below 1 mbar).

图1 VIP的一部分，其中纳米多孔气相二氧化硅在真空（低于1 mbar）条件下封

装于PE和三层金属聚合物复合膜中

2.老化机制 2.1. VIP装配

对于高保温性能组件如VIP的长期使用，其耐热性是涉及使用寿命时最重要的问题。从低压（1mbar）到标准大气压时二氧化硅芯材的导热系数增加了约5倍（图3），气体渗透显然是老化机制中最重要的因素。有很多可能的故障模式是由不完善的生产造成的故障，而这些问题往往出现在VIP生产的初始阶段。自那时以来，早期故障率显然由于改进工艺和质量控制而降低。使用寿命缩短的另一个原因是膜在上墙过程中的损坏。这是瑞士材料测试与研究所（EPMA）观察了几个建筑实例而得出的结论。因此，上墙前已受损的VIP是不能上墙的。为了避免这个问题，对VIP的上墙前的检查是很有必要的。通常情况下，VIP内压强的增加是空气分子透过隔层缓慢渗透而导致的。然而，在其老化过程中还没有一个标准化的使用寿命规范。基于SiO2的低导热特性（图3），如果忽视水分的影响则内部压强为100mbar可作为一个临界值。对于预计的50年的使用寿命，将意味着每年增加最大压强约为2mbar。由于聚合物为基体的三层金属膜（MF）的存在，氧气渗透率（OTR）在0.05~0.0005STD cm3m-2d-1之间，后者为制造商描述的在23℃和50％r.H.[3]条件下可达到的。对于一块1m×1m×0.02m的真空绝热板，如果氮气渗透率（NTR）与氧气渗透率（OTR）在同一量级（常使用估计值NTR≈OTR/4），可以预测其压强以每年0.01~1mbar速度增加。然而，这个简单的的观点已被延伸在以下几个方面：

（i）在较高温度和（或）湿度下，渗透率的增加会加速板内压强的增加。聚合物材料的渗透速率与温度的关系可以用Arrhenius公式描述为：

在加速模型中，如参数化的Arrhenius公式和Eyring模型，综合考虑了温度和湿度的影响[4]。由于这些都是与VIP最相关的影响因素，温度和湿度（决定了压强的增加）是材料测试与研究所研究的主要领域。

（ii）水蒸气透过率（WVTR）可高达OTR和NTR的103~106倍 [5]。在一个长

期的基础上，在10-20mbar范围内，内部的水蒸汽压强可能达到与环境的平衡。就其本身而言在SiO2-VIP热传导中这将是不可忽视的。然而，从吸附等温线中可以看出，湿气会积聚在芯材（图4）[6,7]，这导致单位质量分数的导热率增加了约0.5mWm-1K-1（图5）[8,9]。例如，如果含水量接近质

量的4个百分点（正常的室内条件下平衡23℃和50％R.H.）的热导率可由干燥状态下4 mWm-1K-1变为6mWm-1K-1。

（iii）由于缺陷密度较高，边缘、弯道和密封、额外的气体渗透和大小效应必须

考虑。因为这些影响使用寿命的因素没有明确的分析模型，其估计寿命必须从整个VIP考虑。也与其它性能的长时间的服役相关。例如对尺寸稳定性的要求可以应用到更多领域。在承重结构中，压缩变形和压缩蠕变也应考虑在内。在某些应用中为了抵抗化学药品的腐蚀和（或）紫外线的照射，这些也应考虑在内。另一方面可通过适当的建筑设计因素来避免这些额外的应力。

Fig. 2. VIP insulation of a terrace with heated rooms beneath. The panels are placed

on a thin polystyrene foam layer for mechanical protection.

图2加热室下方阳台的VIP绝热材料，将其置于具防护作用聚苯乙烯泡沫层上

Fig. 3. Thermal conductivity of dry pyrogenic SiO2 (full line) as a function of the internal pressure. For comparison, the similar function is shown for extruded polystyrene (XPS, dashed line). Vacuum requirements are much

more demanding due to larger XPS cells.

图3干燥的气相二氧化硅（实线）与聚苯乙烯泡沫（XPS，虚线）热导率随内部

压强的变化

Fig. 4. Sorption isotherm of SiO2 as determined by various labs within IEA Annex 39 [6]. A generally used linear approximation is 0.08 mass% per%r.H. 图4国际能源署附件39[6]的SiO2吸附等温线。普遍使用的线性近似值为0.08每

单位质量百分数每r.H.% 2.2 聚合物阻隔性材料

图6表示的是一个以聚合物为基础的三个金属层的高阻隔层。它由三个有聚氨酯夹层的镀铝PET或PP薄膜。VIP里面添加的PE层是用来把两层相邻的金属阻隔层连接在一起。在长期使用时，所有的隔气膜的老化问题都应当考虑在内。由于金属膜层是非常薄的（如30纳米），VIP要求达到50年的使用寿命时，铝的氧化速度也是需要考虑的。一个洁净的铝膜表层有1纳米的氧化层。这层一个充当氧化的屏障，并减缓铝进一步氧化达到几十纳米的厚度[10]。此外，由于Al2O3是亦可用来作为阻隔材料，第一层完全氧化的铝层可以作为一个阻隔层[11]，因此，第二层和第三层金属膜与氧的接触率少得多。而且，空气湿度在60-80％r.H以上和温度在80℃或以上时，铝表面被加速氧化这一现象可以被观察到[12]。在这些限制条件内，只要高湿度和高温不同时出现，在大多数建筑应用中，氧化就

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