真空绝热板及其应用技术研究—董士文

非常有幸利用这个机会和大家一起来探讨新的保温材料，真空绝热板它在国内国际的研究和应用。我主要内容介绍前面三部分，真空绝热板的发展历程和产品的介绍、材料组成及特性、STP真空绝热板的研发与应用。真空绝热板国际上研究好多年，上世纪50年代发明到现在其实主要就是利用真空的原理，提高真空度，并且包裹有反射功能的材料，以及阻气膜，三个方面保持较好的性能，来实现最少的热传递的损失。现在一般应当说可以做到这么低了，0.003-0.004这么低。开始研究到现在不止60年的历史，应该说真正把它用于支撑产品保温是这样一个情况。

    作为真空绝热板，也就是VIP板，首先由美国航空航天局他们提出来的设计，并把它做成了产品。这个芯材性能比较稳定，综合性能比较好，但是生产工艺相对来讲比较复杂，重量也比较高，价格也比较高。所以说因此限制了它在，由于价格问题限制了它的更广泛领域里的应用。作为早期的VIP采用的芯材就是无机材料。各种材料都做过，而且以粉状的二氧化硅做的比较多，相对来讲寿命比较长，稳定性比较好一些。

实际上现在相当一部分VIP板都是这个来做的。上世纪70年代发明有机物的泡沫VIP，之后10年以前环境的问题，发泡剂改进方面，其实通过这种改进进一步促进了VIP的研究和开发。1999年美国真空板会议上，介绍了新开发的VIP是发泡很小的聚苯乙烯材料，这个材料有它的特点，这样以满足它更好的热空性能。

聚苯乙烯泡沫不需要干燥，对真空度相对比较低，制作成本比较低。在同一个会上杜邦公司介绍它的新的隔气膜，所以说在它新发明的隔气膜上面把反射膜去掉。金属的反射膜虽然好，反射一些热量，但是它还有一个传递热量更快的不好处。所以说它这种膜比以往的膜有了很大的改进。现在这个膜技术在国际上发展非常快，我们在国际上的膜公司进行技术合作。研制更好的寿命更长的膜。

    当时作为美国公司也开发了一种新型的气凝胶芯材。而且用这种气凝胶芯材对真空的要求比较低，同时保持较好的导热系数。VIP在国际上应用非常广泛，在我们国内大规模应用于家电、冰箱，冷柜，以及运输工具冷冻集装箱。在发达国家由于近些年节能减排的要求，节能政策要求，在建筑上的发展比较快，尤其是最近这几年。在欧洲大量的开始搞被动式节能建筑的技术，它需要对保温性能要求比较高的材料来做。所以说VIP板在这方面有它巨大的优势。

    据我们所了解，最近在发达国家VIP板的需求量猛增。大概光德国今年就建了将近10个以上的新工厂来生产VIP，目的主要是为了适应节能，尤其是建筑节能的要求。作为我们国家，应用在工业方面的VIP应用的比较早，时间也比较长，但是作为应用的建筑方面来讲，也就是近几年的事情。2008年我们公司研制出STP绝热板，而且把它大规模推向市场，应用的时间也不是很长。应该说这个产品应用在建筑上有一定的难度，它的制作成本，它的寿命，保温系统的耐久性和适应性，都是我们要克服的课题。

    作为我们搞的VIP，主要集中用于建筑上的保温，目的主要是考虑它的不燃性和防火性，这个角度上我们推出这个产品。由于性能比较好，应当上市场接受的速度还是比较快，推广的速度也比较快。但是不等于说这个产品没有问题，应该说还是存在一系列的问题，这也是我们今后科研的工作方向和内容。目前来看，实际上已经有20多个省市自治区开始使用，有的已经用了两三年以上，据不完全统计现在超过了400个工厂。

这是工业用的VIP板的样品，用于不同产品和不同构造形式的各种真空绝热板，这是它的样品，这是主要目前应用的领域。作为真空绝热板在建筑领域当中的应用，实际上始于90年代末，在德国和瑞士开始做研究用于建筑。其实这个研究时间也比较长了，大概最长的也是20多年以前的事情，一些国家在国际项目上对真空绝热板的品质进行了大量的改进和研究，并且做了较为系统的测试。

从使用的材料来讲，以及它结构的组合来讲，当时得出来的结论是，二氧化硅芯材带有金属反射膜的阻隔膜的真空绝热板效果比较好。同时，也是寿命方面做了大量的研究，尤其是阻气膜的渗透性，它的速率进行了系统的研究。根据当时的研究结果，当时生产膜的技术水平，推算真空绝热板的寿命在不破坏的前提下，正常使用寿命超过50年。

    作为真空绝热板，它的最大优势，我们现在比较关注的它最大的优势，就是它的导热性能方面，特别优良。但是它还有很多应用方面的障碍，作为真空绝热板，按照我们现在国际上和我们国家的节能发展的需求来看，实际上真空绝热板的空间和潜力比较大，这也是我们大家比较关注的一个问题。有一些绝热材料它在一定的程度上，它节能指标越高，被利用的越受限。真空绝热板导热性可以做到非常低，所以说这方面还是有很大的潜力。

    包括世界各国的专家也发现这方面的潜力，不遗余力做了大量的研究在这方面。真正用于建筑的研究和建筑的应用也就是最近这十年左右的时间，和国际上能源的紧缺和节能要求，减排的要求是对应的。所以说，大家都集中精力研究它在建筑上的应用，有什么优势和好处，有什么缺陷我们需要克服，这方面做了大量的工作。

在最近这几年这方面专业交流会上大量论文涌现，就看出来我们在建筑节能方面，尤其是节能材料，保温材料这一方面，各国都是比较关注真空绝热板的研究。应当说在这方面，我们国家确实是做了工作，还是有相当的距离。实际上作为国外来讲，在比较各种绝热材料的研究当中，他们也是筛选了很多种材料，我们现在基本研究也和国际上接近同步，只是包括气凝胶我们都做了研究，当然我们要考虑市场的需求。

真空绝热板芯材，作为真空绝热板的密封材料，封装材料，其实都和我们在工作上的应用有很大的关系，不仅仅是价格问题。不仅仅是它的在经济方面的问题，很重要的一块，要考虑在建筑上的耐久性。不好的材料耐久性不足，实际上它的价值也是有限的。我们国家节能的目标要求非常高，我们不同的保温材料在大量的使用，但真正在寿命方面做系统研究的，实际上还是相对来讲比较薄弱。

    我们传统的系统来讲，大家承诺都是25年，有一些系统到不了25年就坏了，理论寿命是25年。在我们现有保温体系，我们如果这么继续下去的话，今后的节能改造任务非常重。所以说这一方面，国外也做了大量的研究，尤其在寿命使用和配合使用方面。国外在研究方面很突出的，把众多的节能材料融合起来一起进行研究的项目也比较多。实际上我们所做的除了经济上，我们现有的建筑体系能够接受之外，还比较重视耐久性和它和建筑物怎么结合更好，怎么保持寿命更长的应用。现在这些课题都在进行。

    总的来讲，对于VIP真空绝热板用于建筑外墙，实际上它要经过很严酷的环境条件来考验。所以说这一方面，对我们的要求确实比较多，不仅是材料方面。还有一些施工、设计以及其他方面的要求，要综合起来考虑。这也是真空绝热板应用的研究的一个主要发展的方向，作为真空绝热板本身理论上是没有什么问题，怎么样如何应用，怎么样保持它的寿命长时间的应用，这是我们和世界各国比较关注研究的课题。

    你的条件好，你的使用环境好，它的寿命更长一些，反而问题就更多一些。同时在我们国家还有一个施工的适宜性问题，也需要进一步研究。左边是国外相关产品的样品剖面，右边是国内产品大体的情况。这是国外最早应用的一个建筑物，德国的一个能源研究中心。它在1999年做了这么一个系统，这个系统还在不断的测试。这也是德国的一个建筑，整个全部都做了保温，年代晚一些。

    这个是一个纯粹的被动式节能建筑，从屋面到底面到外墙都做了。另外国外大部分真空绝热板在节能改造比较多，国外新建的不像我们中国量大，面广，所以说大部分老的建筑的改造用的比较多，不管用于外墙还是内墙，楼面还是地面，还有屋面都做了大量的应用研究。他们的标准比我们高多了，有些是复合材料一块用。我们说的真空绝热板和一些无机和有机的复合，他们研究的比较多。

    我们看第二部分，作为真空绝热板材料的组成及特性，简单介绍一下。一般我们从组成概念上来看，真空绝热板这三部分组成，一个是芯材，各种各样的芯材，无机、有机都可以，我们还是倾向防火的问题，重点放在无机材料研究方面。另外一个就是它的膜，大家可能都见过，现在中国国内的真空绝热板产品外观都差不多。大家都是有芯材，都有膜，实际上膜的变化也是很多的。有的膜很简单，有的膜很复杂。我们和以色列的公司合作，它是世界上膜做的最好的公司，实际上它的膜的结构还是比较复杂。可是作为国内有一些公司，有一些研究方面在膜的方面没下那么大功夫。膜也是一个寿命的关键，另外一个就是吸气剂，满足微渗透情况下的真空绝热度的要求。

    第二是原理，作为热物理传递原理大家都知道，三个方面：传导、对流和辐射。作为真空绝热板设计方面充分考虑这三个方面的实际情况，分别都做了设计，所以说使得真空绝热板在导热系数上能够非常非常低。实际上它和其他保温材料不在一个数量级上，它在几个方面都做了设计，这三方面都相对做了解决，所以说使它的导热性比较优良。

    我们来看看现在我们主要的这类产品的成分，一个是芯材，它也要求有较优良的性能，对芯材也是有一定要求，尤其是导热系数和整体强度。另外一个，这个阻气膜。这个确定我们真空绝热板的一个特点，你用高性能的阻气膜，你的寿命比较长，你用阻气膜比较低，寿命也会大大降低。有的产品本身就是吸气剂，它的主要作用是吸附通过膜渗透进来的微量气体，满足它在使用寿命期间的保持一定的真空度的要求。

目前来讲，我们归纳一下，真空绝热板在应用开发研究方面，主要是四个方面的内容。我刚才也谈到它的成分，芯材原材料的选择也是非常重要的，看你应用在什么条件下，有哪些外部的要求。

再一个芯材成本上的控制，用于工业的VIP板的芯材成本可能相对高一些，要求的导热系数比较低。建筑上实际我们可以从高到低做一些调整，对一些保温要求不高的区域，我们可以用宽一些芯材的指标，可以降低成本，同样可以解决问题。同样厚度，不同的芯材解决不同的问题就可以，这里头技术含量相对高一些。

    第二个方面就是阻气膜，有相当的技术含量，是一个高技术产品，这方面，应当说咱们中国的研究水平还是远远低于国际上的研究水平。我们也是及时的选择了和国外进行合作，来探讨它的比较好的，相对来讲成本还可以接受的阻气膜，来满足我们建筑物寿命的要求。

    第三个是生产工艺，VIP板在目前来看，大规模生产的国家还是不多。作为中国来讲，目前来看，作为建筑上用的真空绝热板的产量，在国际上还是排在第一位。我们相对的水平可能没有人家那么高，所以说在很大的方向，就是研究它的生产工艺，生产加工的技术水平来提高它本身产品的品质，和它的质量来满足市场和适应施工，和使用的要求。

第四个方面实际上也是我们的焦点之一，在应用方面的研究。包括它的施工配套技术，包括它如何避免它的一些缺点。真空绝热板最大的问题就是保持真空，保持真空在我们原有材料的基础上，我们可以做到保持很好的真空，我们施工环境非常恶劣，我们很纠结的地方在这，我们相当于在施工过程当中的破损率在控制不严的时候，相对量比较高。哪怕工人稍微一碰撞，或者尖锐的物品一接触，它都有可能破坏它的真空度。

另外在进行安装过程当中，砂浆施工强度高，也可能对它的膜系统产生一定的破坏作用。所以说，虽然上墙漏气有，量不是那么大，但是也确实是上墙有发生漏气的情况，这主要是前期的施工操作有问题。

    真正你VIP板上墙短时期内没有问题，它就不会有很大的问题。绝大部分的问题都是出在开箱，到施工到安装这个过程当中，这也是我们做的一些课题，我们和建设院还有施工开发单位合作的研究，都是为了解决这方面的问题。上面也提到了不同结构类型，不同的施工方式，我们做了一些课题的研究，都是为了解决在施工过程当中，或者安装过程当中产生的一些问题，目的是推广它的应用领域，提高它的应用所做的一些工作。

    第三部分我简单介绍一下我们国家开发的STP真空绝热板的研究和应用情况。应当说STP真空绝热板实际上是我们和国外合作的基础上，经过了五年的开发研究做出来，目的是适应我国国情建筑市场，低成本绝热板。国外的绝热板成本比较高，我们搞低成本来推向市场。由于市场的接受度比较好，所以发展的比较快。最近这几年，已经建了两个工厂，青岛工厂和芜湖工厂。新疆工厂正在筹建过程当中，产品确实比较新，我们公司在知识产权方面做了大量的工作，我们申请了88项专利，获得了33项授权，有6项发明专利。目前我们的生产工艺的自动化和机械化水平比较高，今年产量有望达到8000万平方。

    另外与它发展的比较快，所以也受到我们国家行业主管部门的关注，所以说目前真空绝热板建筑用的真空绝热板也列入国家行业标准的编制，推广的速度比较快，我们也在编制图集。项目开始的过程当中，我们也申报了国家的课题计划，以及住建部的2010年科技项目计划。

    这是我们公司目前的组织框架，这是青岛工厂，这是芜湖工厂。目前芜湖工厂实际上是世界上最大的真空绝热板生产工厂，这是生产线的情况，这是检测实验室的情况。这是我们申请的专利，以及制定的部分、规程和普及。

下面看看我们研制的情况大体给大家介绍一下，作为真空绝热板实际上我们是从防火和节能出发，它整个保温系统和传统的保温没有太大的区别。方法都差不多，工艺也比较简单。只是说它的使用寿命比较长，它板材的使用寿命至少五六十年以上。我们处理的系统过程当中也采用专用的砂浆。

真空绝热板推出来之后，大家比较关注的就是一个是它的高效保温的特性，以及它的A级防火的等级。目前保温材料大家都知道，现在很纠结，究竟是怎么用。尤其在防火上面怎么控制，大家包括行业主管部门还有专家都有些争议，有些议论。不管怎么样作为A级防火材料的推出，对我们建筑保温市场一个非常有利的动作，对大家来讲选择余地方面有了一个更好的选择，至少在工业建筑方面国家有比较严格的要求。

作为真空绝热板，从它的发展方向来看，我们重点还是要考虑它的应用。它的技术研究是一大块，应用也是一大块，我们都做了前期的工作，我们现在在预制墙版、打磨以及简易幕墙方面都有了突破，今后可能很快就会进入市场。目的是克服它的一些弱点，尤其是应用方面不方便的地方，使用我们中国的建筑市场。

我们希望在今后的发展方向上，朝着真空绝热板的保护和符合这种使用方向来发展。如果项目进展顺利的话，在这方面真正的成本还有可能有一定的幅度的降低，更容易为市场所接受。我们来看看它的基本特点，我们做的产品小于0.008的导热系数，因为它是一个复合材料，通过不同厚度的热度换算的。因此它的性能就可以大大的减小它的保温层的厚度，很容易满足节能65%的要求。

    我们基本上厚度在7毫米到3公分的范围内，用于不同的区域。南方薄一些，北方像东北厚一些，要按照节能设计的要求来确认它的热阻的要求。由于它是无机材料组成，除了膜之外，膜有一部分是有机物和金属，还有一些胶，它的主要成分都是无机材料。我们重点在这方面做了大量的工作。另外作为系统本身，它能满足我们国家外墙保温的要求，不管在抗压和抗拉，都能满足这个要求。

    另外就是系统的安全性，由于它比较薄，我们的施工方法相对来讲粘结方面考虑的比较多，满粘达到80%以上，在建科院做的抗风达到12Kpa以上都没有变化和破坏现象，使它性能的安全度大大的提高。如果按照我们国家发展，节能要求再高，要用传统材料肯定不太好实现。第一保温材料厚度增厚不是一个变化关系，第二大大增加系统安全度的风险，抗震的风险。

    还有就是寿命，大家比较关注的是两个方面，一个是真空度保持的问题，这里面有施工环境和使用环境的保护问题。第二个问题就是我本身产品在正常使用情况下，它的真空度保持的问题，这两个问题要分开来谈。从现有的技术方面，其实它的寿命是远大于至少25年以上，我们研究的结果是50年到60年以上。现在我们一般的保温墙体的理论寿命是25年，这个系统不仅是材料的问题，还有它系统的组成材料的影响。所以说这方面我们也做了一些工作，尤其是芯材、膜，为了解决它的寿命问题。就是为了解决它使用之间的保持相对的真空度，以解决它真正的使用寿命问题。实际上来讲，膜在正常使用情况下，即使漏气，也能很好的解决这个问题。两个面，通过膜本身的渗透率大大降低的情况下，我们使用吸气剂，它的真空度能够保持这么长时间。

    这是一个简单的比较，和目前应用材料的比较，又是岩棉，又是聚氨酯的比较。目前我们现有的标准正在编制，行业标准正在编制，我给大家列出性能指标，主要是我们现在地方标准和企业标准所规定的技术指标。这是国家防火材料建筑材料质量中心的报告，属于A1级。这是热空性能的报告，厚度15毫米厚度。

    总的情况是这样，应该说真空绝热板的保温系统它现在应用的范围，我简单给大家说一说。现在按照我们地方标准和相关的企业标准，现在已经基本上建筑物都可以用了，不管是墙还是屋面还是楼面，还是地面，都可以用。包括外墙内保温用的也比较多，它比较薄。另外就是系统组成，一个是粘结层，保温层，保护层，饰面层。作为传统的体系是一样的东西，我们都是选择特殊性能的材料。这是系统性能的指标，这是标准的规定，包括吸水量，耐候性、耐冻性，它整体的防护性比较好。实验结果也出来了，都小于500克。这是做的节能的实验结果。

    另外考虑到膜系统的寿命问题，我们选用的是低碱度的抹面胶浆。我们在这方面考虑到我们膜系统当中还有玻璃纤维，我们选用了低碱水。我的报告就到这，谢谢各位。