CN114750431B - 一种采用有机纤维芯材的真空绝热板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用有机纤维芯材的真空绝热板及其制备方法，涉及真空绝热材料领域，包括采用梳理工艺对有机纤维进行梳理，制毡后叠加到适当厚度获得蓬松毡料；采用热压填充装置对有机纤维毡料进行两次辅助隔热粉料填充和热压；二次填充毡料完全卸压冷却后进行烘干即为芯材，加入吸气剂并包覆高阻隔膜，抽真空塑封即得真空绝热板。本发明在有机纤维毡料内少量填充固定辅助隔热粉料，一次填充后热压可以在4080纤维热融时将辅助隔热粉料粘结在聚酯纤维上，能够有效降低4080纤维热融粘结产生的固相热传导，能够克服有机纤维绝热性能差的缺陷。二次填充能够进一步降低有机纤维毡料的孔径，提升芯材的整体绝热性能。
Description
技术领域
本发明涉及真空绝热材料领域，具体涉及一种采用有机纤维芯材的真空绝热板及其制备方法。
背景技术
芯材是VIP的核心结构，按照物理形态划分，芯材可分为纤维型芯材、粉末型芯材、泡沫型芯材和人造芯材。纤维型芯材是由隔热纤维构成的纤维聚集体，其形式包括纤维棉、纤维毡、纤维板、纸和布。纤维型芯材的导热系数和纤维的直径、长度、数量、卷曲程度、排列方式、孔结构、杨氏模量和外界压力等因素相关。常见的纤维型芯材包括玻璃纤维、岩棉、矿渣棉和合成纤维等。粉末型芯材是由隔热粉末构成的粉末聚集体。与粗大粉末芯材相比，精细粉末芯材的导热系数更低、孔结构更精细，制得的VIP隔热性能更优异。常见的粉末型芯材包括气相二氧化硅、气凝胶、珍珠岩和蛙石粉等。泡沫型芯材是以聚合物或树脂为原料，通过加入发泡剂和稳定剂并经过热发泡而形成的具有泡沫状孔结构的芯材。泡沫型芯材虽然质轻、成型工艺简单、尺寸稳定高、价格低廉，但结构较脆、容易受潮、脱气率较高、在成型中易出现闭孔泡沫，制得的VIP隔热性能差。人造芯材主要包括交错梁结构芯材、蜂窝孔结构芯材和层间夹有辐射屏的多层结构芯材。但是，该类芯材的制造工艺复杂，不利于大批量生产应用。
与有机芯材相比，无机芯材的耐热性更好，化学稳定性更高。在同等的保温效果下，无机芯材更适合作为VIP芯材。由于玻璃纤维的优良绝热性能，以无机玻璃纤维芯材制备的VIP板绝热性能优异，目前常用的VIP芯材为长玻璃纤维通过干法或湿法制毡获得的无机玻璃纤维毡，虽然玻璃纤维具备较好的绝热性能，但是价格较高，严重影响其市场推广。
有机聚酯纤维的价格大幅低于玻璃纤维，可采用有机聚酯纤维替换玻璃纤维来降低芯材的制备成本，但是采用聚酯纤维等有机纤维制备芯材时，具有如下技术问题：一方面有机纤维的绝热性能明显低于玻璃纤维等无机纤维，导致VIP板的导热系数升高，绝热性能降低，另一方面为了提高有机聚酯纤维芯材的绝热性能，采用干法粉末混合工艺将第二相隔热粉末与聚酯纤维混合均匀后装袋压平制备芯材，在聚酯纤维与第二相隔热粉末搅拌混合时，由于聚酯纤维易缠结或絮凝，需要采用长度低于6mm的短切聚酯纤维，以此来达到聚酯纤维和隔热粉末均匀混合的目的，而短切聚酯纤维的绝热性能较差，因此需要添加超过40wt％的隔热粉末来保证芯材的整体绝热性能，此时短切聚酯纤维的作用仅仅为补强，主要发挥绝热性能的组分为隔热粉末。大量隔热粉末的添加又大幅增加了成本，并没有降低有机纤维芯材的制备成本。另外，由于纤维长度较短，纤维之间并不能交联成毡，导致VIP板的强度大幅降低。
干法纤维型芯材热压前结构蓬松，表面平整度差，抽真空后制成的VIP表面凹陷多，尺寸稳定性差，并且需要更大面积的膜材来包覆才能完成套袋工作，不利于高品质VIP的制备。热压工艺可以有效优化干法芯材表面平整度和尺寸稳定性。为了减少有机纤维芯材热压后的回弹，可在聚酯纤维中掺入熔点较低的4080纤维作为热融粘结组分，热压时4080纤维将聚酯纤维粘结，卸压冷却后有机纤维芯材定型好，回弹率较低。但是4080纤维对聚酯纤维的粘结作用会增加VIP板材的固相热传导，增加热传导系数，限制了有机纤维芯材的绝热性能提升。虽然已有研究将多孔隔热粉末填充纤维芯材的孔隙中可提高芯材的绝热性能，但是粉末的填充均是在原料阶段进行，将粉末与短切纤维混合后装袋压平来制备芯材。目前，并没有任何方法或者装置能够在成型的纤维毡料内进行隔热粉末的均匀填充。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用有机纤维芯材的真空绝热板及其制备方法，解决现有有机纤维芯材绝热性能差，且无法向有机纤维毡料中填充固定少量辅助隔热粉末提升绝热的问题。
为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种真空绝热板，所述真空绝热板的芯材由有机纤维经热压工艺制备而成。
一种上述真空绝热板的制备方法，具体步骤如下：
S1、采用梳理工艺对有机纤维进行梳理，制毡后叠加到适当厚度获得蓬松毡料；
S2、采用热压填充装置在不加热的情况下压缩蓬松毡料，热压填充装置压缩蓬松毡料后上抬卸压时将辅助隔热粉料吸入蓬松毡料中获得一次填充毡料；
S3、采用热压填充装置继续对一次填充毡料进行热压，热压后上抬卸压的过程中再次向一次填充毡料内填充辅助隔热粉末，S3中的辅助隔热粉末填充量为S2中的1/5～1/20，获得二次填充毡料；
S4、二次填充毡料完全卸压冷却后进行烘干即为芯材，加入吸气剂并包覆高阻隔膜，抽真空塑封即得真空绝热板。
优选地，所述S2和S3中热压填充装置的压力0.02～0.1MPa，保压时间5～10min，S3中热压温度为130℃。
优选地，所述有机纤维为聚酯纤维和4080纤维的混合纤维，聚酯纤维和4080纤维的重量比为8:2～7:3；纤维长度为15～35mm，纤维直径10～40μm。
优选地，所述辅助隔热粉末为中空玻璃微珠、气相二氧化硅粉末、多孔碳粉末中的一种或多种，所述辅助隔热粉末的粒径为10～100μm。
优选地，热压填充装置包括机架，所述机架上设有导向架和承载块，所述导向架的顶部中央设有液压缸，所述液压缸的伸缩杆下设有上压块，所述上压块的四角均与导向架滑动连接，所述上压块上部设有循环层流组件，所述循环层流组件通过循环气流将辅助隔热粉料均匀分散，含辅助隔热粉料的气流横向通过热压槽上方，所述上压块下部设有热压槽，所述热压槽设于承载块正上方，在热压时，所述热压槽与承载块密封滑动连接，所述热压槽与循环层流组件之间均匀设有若干单向进气组件，仅在热压槽内形成负压时，所述单向进气组件将含有辅助隔热粉料的气流由循环层流组件导入有机纤维毡料内，所述上压块的侧壁上还设有单向阀二，所述单向阀二与热压槽连通。
优选地，所述循环层流组件包括循环腔，所述上压块内设有隔板，所述循环腔和热压槽由隔板分隔而成，所述循环腔的两端分别连通有进风罩和回风罩，所述进风罩外端连通风机，所述风机和回风罩之间连通有循环管，所述单向进气组件设于隔板上，单向进气组件连通热压槽和循环腔，所述进风罩上连通有进料管，所述进料管上端连通自动定量投料装置，所述上压块的顶部设有单向阀一，所述单向阀一连通循环腔。
优选地，所述单向进气组件包括设于隔板上的单向阀三，所述单向阀三上端连通循环腔，单向阀三下端连通吸气管，所述吸气管设于热压槽顶部，所述吸气管的下部设有若干出气孔。
优选地，所述热压槽的侧壁上还连通有连通管，所述连通管上设有电磁阀。
优选地，所述隔板内设有若干电阻丝一，所述承载块内设有若干电阻丝二。
本发明的优点在于：
本发明在有机纤维毡料内少量填充固定辅助隔热粉料，一次填充后热压可以在4080纤维热融时将辅助隔热粉料粘结在聚酯纤维上，能够有效降低4080纤维热融粘结产生的固相热传导，能够克服有机纤维绝热性能差的缺陷。二次填充能够进一步降低有机纤维毡料的孔径，提升芯材的整体绝热性能。以聚酯纤维等有机纤维作为芯材，来源广泛，也可以采用回收材料，实现有机纤维材料的循环利用，辅助隔热粉料的用量大幅降低，解决了制备成本高的问题。
本发明中的热压填充装置利用卸压抬升时产生的负压将气流中的辅助隔热粉末吸入有机纤维毡料中，无须额外提供填充动力，加工过程环保，能耗低。利用均匀设置的吸气管能够将辅助隔热粉末均匀的吸入并留滞在有机纤维毡料内，有效解决了纤维与粉末搅拌混合时容易缠结絮凝的问题。另外，填充过程与热压过程连续顺次进行，防止有机纤维毡料冷却后无法粘结固定辅助隔热粉末，导致后续的抽真空过程中大量隔热粉末被抽走流失，影响隔热性能提升。
附图说明
图1和图2为不同视角的热压填充装置整体结构示意图。
图3为热压填充装置的俯视图。
图4为图3中A-A向剖视图。
图5为图3中B-B向剖视图。
其中，1-机架，11-导向架，2-液压缸，3-上压块，31-循环腔，311-单向阀一，32-热压槽，321-连通管，322-单向阀二，33-隔板，331-电阻丝一，4-风机，41-进风罩，411-进料管，42-回风罩，43-循环管，5-承载块，51-电阻丝二，6-单向阀三，61-吸气管，62-出气孔。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1：本实施例中采用热压填充装置进行有机纤维毡料的粉料填充和热压操作，如图1至图5所示，热压填充装置包括机架1，所述机架1上设有导向架11和承载块5，所述导向架11的顶部中央设有液压缸2，所述液压缸2的伸缩杆下设有上压块3，所述上压块3的四角均与导向架11滑动连接，所述上压块3上部设有循环层流组件，所述循环层流组件通过循环气流将辅助隔热粉料均匀分散，含辅助隔热粉料的气流横向通过热压槽32上方，所述上压块3下部设有热压槽32，所述热压槽32设于承载块5正上方，在热压时，所述热压槽32与承载块5密封滑动连接，所述热压槽32与循环层流组件之间均匀设有若干单向进气组件，仅在热压槽32内形成负压时，所述单向进气组件将含有辅助隔热粉料的气流由循环层流组件导入有机纤维毡料内，所述上压块3的侧壁上还设有单向阀二322，所述单向阀二322与热压槽32连通。所述热压槽32的侧壁上还连通有连通管321，所述连通管321上设有电磁阀。
所述循环层流组件包括循环腔31，所述上压块3内设有隔板33，所述循环腔31和热压槽32由隔板33分隔而成，所述循环腔31的两端分别连通有进风罩41和回风罩42，所述进风罩41外端连通风机4，所述风机4和回风罩42之间连通有循环管43，所述单向进气组件设于隔板33上，单向进气组件连通热压槽32和循环腔31，所述进风罩41上连通有进料管411，所述进料管411上端连通自动定量投料装置，所述上压块3的顶部设有单向阀一311，所述单向阀一311连通循环腔31。
所述单向进气组件包括设于隔板33上的单向阀三6，所述单向阀三6上端连通循环腔31，单向阀三6下端连通吸气管61，所述吸气管61设于热压槽32顶部，所述吸气管61的下部设有若干出气孔62。所述隔板33内设有若干电阻丝一331，所述承载块5内设有若干电阻丝二51。
利用上述热压填充装置制备真空绝热板，具体步骤如下：
S1、采用常规梳理工艺对有机纤维进行梳理，制毡后叠加到10cm厚度获得蓬松毡料；本实施例中，有机纤维为聚酯纤维和4080纤维的混合纤维，聚酯纤维和4080纤维的重量比为8:2；纤维长度为15mm，纤维直径30μm。
S2、采用热压填充装置在不加热的情况下压缩蓬松毡料，热压填充装置压缩蓬松毡料后上抬卸压时将辅助隔热粉料吸入蓬松毡料中获得一次填充毡料；采用的辅助隔热粉末为气相二氧化硅粉末，所述辅助隔热粉末的粒径为10μm。辅助隔热粉末的填充量为蓬松毡料重量的1％，具体填充方法为：利用自动定量投料装置向进风罩41内投入气相二氧化硅粉末，自动关闭进料管411，打开风机4，风机4将气相二氧化硅粉末吹入循环腔31，并经回风罩42和循环管43进行循环分散，直至与空气形成均匀的颗粒气流，颗粒气流不断横向流经单向阀三6上方。随后，将蓬松毡料放置于承载块5上，在室温下，打开液压缸2，下压上压块3，直至上压块3与承载块5密封滑动连接，此时，通过电磁阀打开连通管321，上压块3下行过程中，上压块3与承载块5之间的空气通过连通管321和单向阀二322排出，蓬松毡料随着空气的排出被压缩，直至压缩蓬松毡料至压力为0.02MPa，关闭液压缸2，保压时间5min。保压时关闭连通管321，此时吸气管61完全***蓬松毡料内，保压后上，打开液压缸2，缓慢上抬上压块3，由于连通管321和单向阀二322均不能向热压槽32内引入空气，热压槽32内形成负压，此时单向阀三6开启，循环腔31内含有辅助隔热粉料的气流由单向阀三6下行经吸气管61上的出气孔62进入压缩的毡料中，辅助隔热粉料随气流填充进入毡料中，并以吸气管61为中心向外扩散，当填充量合适后，打开连通管321，热压槽32内的负压迅速降低，辅助隔热粉料的吸入量也迅速降低，当热压槽32与循环腔31内的气压相等时，单向阀三6关闭，含有辅助隔热粉料的气流无法下行进入热压槽32内，填充操作停止。继续上抬上压块3直至吸气管61完全脱离压缩毡料，关闭液压缸2。由于S2中并没有加热，4080纤维并没有热融粘结聚酯纤维，蓬松毡料压缩后回弹率较大，为辅助隔热粉料的均匀扩散提供空间。
S3、采用热压填充装置继续对一次填充毡料进行热压，热压后上抬卸压的过程中再次向一次填充毡料内填充辅助隔热粉末，S3中的辅助隔热粉末填充量为S2中的1/5～1/20，获得二次填充毡料；具体填充方法为：通电加热电阻丝一331和电阻丝二51直至隔板33和承载块5的温度达到130℃，打开液压缸2，下压一次填充毡料至至压力为0.02MPa，关闭液压缸2，保压时间5min。压缩定型后上抬上压块3，同样热压槽32内形成负压，含有辅助隔热粉料的气流再次被吸入一次填充毡料内，由于毡料压缩后粘结定型，体积大幅缩小，毡料内的孔隙总体积减小，如果辅助隔热粉料填充过多，粉末会淤积在出气孔62或吸气管61附近的毡料内，导致填充不均匀。因此辅助隔热粉料的填充量应小于S2中的填充量，S3中的辅助隔热粉末填充量为S2中的1/5，通过提前打开连通管321来减少含有辅助隔热粉料的气流吸入体积，以此来控制辅助隔热粉末的填充量。当单向阀三6关闭时，由于气流被吸出一部分，循环腔31内的气压会低于外界，此时单向阀一311打开，外界空气补入循环腔31内直至达到气压一直，单向阀一311关闭。每次单向阀三6关闭即意味着填充操作结束，利用自动定量投料装置向进风罩41内补充辅助隔热粉末，补料量与填充量相同，这样可以保证循环腔31内的粉末颗粒密度保持恒定，这样就可以通过控制气流的吸入体积来控制填充量。辅助隔热粉末填充量可通过测定循环腔31中的粉末颗粒密度来计算获得，热压前和热压后的颗粒密度差乘以循环层流组件的腔体体积即为单次吸入并固定在有机纤维毡料中的粉末重量。热压后及时补充辅助隔热粉末，保证循环层流组件中的颗粒密度恒定。
S4、二次填充毡料完全卸压冷却后进行烘干即为芯材，采用常规方法加入吸气剂并包覆高阻隔膜，抽真空塑封即得真空绝热板。
实施例2：其余均与实施例1相同，不同之处在于，所述S2和S3中热压填充装置的压力0.06MPa，保压时间7min，蓬松毡料厚度为6cm。
聚酯纤维和4080纤维的重量比为7:3；纤维长度为35mm，纤维直径40μm。
辅助隔热粉末为中空玻璃微珠，辅助隔热粉末的粒径为100μm。S2中辅助隔热粉末的填充量为蓬松毡料重量的6％。S3中的辅助隔热粉末填充量为S2中的1/20。
实施例3：其余均与实施例1相同，不同之处在于，所述S2和S3中热压填充装置的压力0.1MPa，保压时间10min，蓬松毡料后度为20cm。
聚酯纤维和4080纤维的重量比为3:1；纤维长度为25mm，纤维直径10μm。
辅助隔热粉末为多孔碳粉末，辅助隔热粉末的粒径为50μm。S2中辅助隔热粉末的填充量为蓬松毡料重量的3.5％。S3中的辅助隔热粉末填充量为S2中的1/10。
对照实施例1：其余均与实施例1相同，不同之处在于，仅采用市售喷粉机对有机纤维蓬松毡料进行辅助隔热粉末喷粉后进行常规热压操作，制备获得填充毡料，进而制备获得VIP板。
对照实施例2：其余均与实施例1相同，不同之处在于，不进行填充操作，仅采用干法玻璃纤维毡作为芯材，直接采用市售热压机进行热压后制备VIP板。
对照实施例3：其余均与实施例1相同，不同之处在于，仅采用聚酯纤维和4080纤维混合制毡作为芯材，不采用热压填充装置进行辅助隔热粉料的两次填充操作，直接采用市售热压机进行热压后制备VIP板。
将实施例1～3及对照实施例1～3中制备的VIP进行导热系数及内部孔径范围的测定，结果如下：
表1不同制备方法制备获得的VIP板导热系数测定结果
由表1结果可知，辅助隔热粉料的两次填充操作能够大幅提升聚酯纤维的绝热性能，因此，实施例1～3中制备的VIP板的导热系数已经达到对照实施例2中无机玻璃纤维VIP板的水平。同时实施例1～3中辅助隔热粉料的填充量却没有超过6％，提升聚酯纤维绝热性能的同时并没有大量加入辅助隔热粉末。对照实施例1的绝热性能大幅低于实施例1和对照实施例2的原因在于，辅助隔热粉末并没有均匀地填充进入有机纤维毡料内部深层，仅滞留在有机纤维毡料的表层或浅层，热压后，仍无法解决深层的4080纤维热融粘结造成的固相热传导作用，导热系数降低困难。对照实施例3则表明现有的有机纤维在导热性能上的劣势。
表1结果还表明实施例1～3中辅助隔热粉料的均匀填充可以有效降低4080纤维粘结带来的内部孔径升高，对照实施例1虽然浅层填充了部分辅助隔热颗粒，但深层的孔径仍然较大，因此孔径跨度较大，对照实施例3则表明聚酯纤维压缩粘结后，剩余的孔径均为大孔隙，因此绝热性能较差。而对照实施例2中虽然内部孔径也较大，但是玻璃纤维材质的优良绝热性能弥补了这一缺陷，因此内部孔径对绝热性能的影响较小。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (6)
1.一种真空绝热板的制备方法，所述真空绝热板的芯材由有机纤维经热压工艺制备而成，其特征在于，这种真空绝热板的制备方法，具体步骤如下：
S1、采用梳理工艺对有机纤维进行梳理，制毡后叠加到适当厚度获得蓬松毡料；
S2、采用热压填充装置在不加热的情况下压缩蓬松毡料，热压填充装置压缩蓬松毡料后上抬卸压时将辅助隔热粉料吸入蓬松毡料中获得一次填充毡料；
S3、采用热压填充装置继续对一次填充毡料进行热压，热压后上抬卸压的过程中再次向一次填充毡料内填充辅助隔热粉末，S3中的辅助隔热粉末填充量为S2中的1/5~1/20，获得二次填充毡料；
S4、二次填充毡料完全卸压冷却后进行烘干即为芯材，加入吸气剂并包覆高阻隔膜，抽真空塑封即得真空绝热板；
所述热压填充装置包括机架(1)，所述机架(1)上设有导向架(11)和承载块(5)，所述导向架(11)的顶部中央设有液压缸(2)，所述液压缸(2)的伸缩杆下设有上压块(3)，所述上压块(3)的四角均与导向架(11)滑动连接，所述上压块(3)上部设有循环层流组件，所述循环层流组件通过循环气流将辅助隔热粉料均匀分散，含辅助隔热粉料的气流横向通过热压槽(32)上方，所述上压块(3)下部设有热压槽(32)，所述热压槽(32)设于承载块(5)正上方，在热压时，所述热压槽(32)与承载块(5)密封滑动连接，所述热压槽(32)与循环层流组件之间均匀设有若干单向进气组件，仅在热压槽(32)内形成负压时，所述单向进气组件将含有辅助隔热粉料的气流由循环层流组件导入有机纤维毡料内，所述上压块（3）的侧壁上还设有单向阀二(322)，所述单向阀二(322)与热压槽(32)连通；
所述循环层流组件包括循环腔(31)，所述上压块(3)内设有隔板(33)，所述循环腔(31)和热压槽(32)由隔板(33)分隔而成，所述循环腔(31)的两端分别连通有进风罩(41)和回风罩(42)，所述进风罩(41)外端连通风机(4)，所述风机(4)和回风罩(42)之间连通有循环管(43)，所述单向进气组件设于隔板(33)上，单向进气组件连通热压槽(32)和循环腔(31)，所述进风罩(41)上连通有进料管(411)，所述进料管(411)上端连通自动定量投料装置，所述上压块(3)的顶部设有单向阀一(311)，所述单向阀一(311)连通循环腔(31)；
所述单向进气组件包括设于隔板(33)上的单向阀三(6)，所述单向阀三(6)上端连通循环腔(31)，单向阀三(6)下端连通吸气管(61)，所述吸气管(61)设于热压槽(32)顶部，所述吸气管(61)的下部设有若干出气孔(62)。
2.根据权利要求1所述的一种真空绝热板的制备方法，其特征在于，所述S2和S3中热压填充装置的压力0.02~0.1MPa，保压时间5~10min，S3中热压温度为130℃。
3.根据权利要求1所述的一种真空绝热板的制备方法，其特征在于，所述有机纤维为聚酯纤维和4080纤维的混合纤维，聚酯纤维和4080纤维的重量比为8:2~7:3；纤维长度为15~35mm，纤维直径10~40μm。
4.根据权利要求1所述的一种真空绝热板的制备方法，其特征在于，所述辅助隔热粉末为中空玻璃微珠、气相二氧化硅粉末、多孔碳粉末中的一种或多种，所述辅助隔热粉末的粒径为10~100μm。
5.根据权利要求1所述的一种真空绝热板的制备方法，其特征在于，所述隔板(33)内设有若干电阻丝一(331)，所述承载块(5)内设有若干电阻丝二(51)。
6.根据权利要求1所述的一种真空绝热板的制备方法，其特征在于，所述热压槽(32)的侧壁上还连通有连通管(321)，所述连通管(321)上设有电磁阀。
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