绝热保温材料

背景：上海静安大火，大楼起火前处于综合改造阶段，正在进行外墙节能改造工程。事故的直接原因是施工人员违规在1O层电梯前室北窗外进行电焊作业，电焊溅落的金属熔融物引燃下方9层位置脚手架防护平台上堆积的聚氨酯保温材料碎块、碎屑引发火灾。

1概述

绝热材料是指用于建筑围护或者热工设备、阻抗热流传递的材料或者材料复合体，既包括保温材料，也包括保冷材料。绝热材料一方面满足了建筑空间或热工设备的热环境，另一方面也节约了能源。因此，有些国家将绝热材料看作是继煤炭、石油、天然气、核能之后的“第五大能源”。

绝热材料的作用是阻碍热量的传递，以便达到以下两个目的：降低热损失，节约能量消耗，或者在一定的空间范围内维持所要求的温度。绝热材料的应用范围极广，可以说各行各业以至日常生活中都需要绝热材料。

2绝热的基本原理

2.1传热分析

热量传递有3种方式，即导热、辐射和气体内的对流。绝热材料通常都是多孔材料，因此这3 种方式都有可能存在。

传热情况，其热面温度为T1，冷面温度T2=T1-∆T，穿过厚度为b的材料的总热流密度q 可表示为

q=q s+q g+q c+q r

式中下标s, g, c, r 分别表示固相的导热、气相的导热、气体对流传热和辐射传热。气相内对流传热同Raileigh准数Ra的大小有关，传热学研究表明如果封闭空间内Ra<103，则对流不起作用。

（1）

式中，b为冷、热面之间的距离，g为重力加速度，γ为气体的体积膨胀系数，ν为气体的动力粘度，a为气体的热扩散系数。

利用式（1）通过初略的计算就可知道：只要b<1 mm，就可使Ra<103，一般绝热材料中孔隙直径都在1mm 以下，因此绝热材料内的对流传热作用极小，可以忽略不计。

辐射传热的贡献可以用以下方程式表达

（2）

式中，ε1和ε2分别为热面与冷面的黑度。

从上式可见：辐射传热与材料的厚度无关，另一方面与冷、热面的温度的4次方有关，当冷、热面的温差较大时，其传热作用相当大。一般绝热材料的厚度在几毫米至数十毫米之间，固相传热和辐射传热作用对导热的贡献都不能忽视。当温度不太高时气相传热虽然相对而言不算很大，但也不能忽略不计，只有在高温下，气相传热作用才相对较小，可以忽略不计。

2.2绝热材料性能分析

一般绝热材料都是多孔的轻质材料，实际的绝热材料中固相与气孔既彼此互相接触，又分别成连续网络，因此其传热模式可用图 1 所示的结构。

这种结构的保温材料的导热系数可用下式表示:

（3）

式（3）描述了多孔隔热材料的导热系数同材料显微结构之间的关系。其中，λ为导热系数，d=b g1/b，p为材料的孔隙率，β表示固相互相接触部分的传热面积（As）所占的比例，h r为辐射换热系数。

影响绝热材料导热系数的主要因素：

1、温度

温度对各类绝热材料导热系数均有直接影响，温度提高，材料导热系数上升。

2、含湿率

所有的保温材料都具有多孔结构，容易吸湿。当含湿率大于5%~10%，材料吸湿后湿分占据了原被空气充满的部分气孔空间，引起其有效导热系数明显升高。

3、容重

容重是材料气孔率的直接反映，由于气相的导热系数通常均小于固相导热系数，所以保温材

料都具有很大的气孔率即很小的容重。一般情况下，增大气孔率或减少容重都将导致导热系数的下降。

4、松散材料的粒度

常温时，松散材料的导热系数随着材料粒度减小而降低，粒度大时，颗粒之间的空隙尺寸增大，其间空气的导热系数必然增大。粒度小者，导热系数的温度系数小。

5、热流方向

导热系数与热流方向的关系，仅仅存在于各向异性的材料中，即在各个方向上构造不同的材料中。

传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些；同样，具有大量封闭气孔的材料的绝热性能也比具有大量开口气孔的要好一些。

气孔质材料又进一步分成固体物质中有气泡和固体粒子相互轻微接触两种。纤维质材料从排列状态看，分为方向与热流向垂直和纤维方向与热流向平行两种情况。一般情况下纤维保温材料的纤维排列是后者或接近后者，同样密度条件下，其导热系数要比其它形态的多孔质保温材料的导热系数小得多。

6、填充气体的影响

绝热材料中，大部分热量是从孔隙中的气体传导的。因此，绝热材料的热导率在很大程度上决定于填充气体的种类。低温工程中如果填充氦气或氢气，可作为一级近似，认为绝热材料的热导率与这些气体的热导率相当，因为氦气和氢气的热导率都比较大。

7、比热容

绝热材料的比热容对于计算绝热结构在冷却与加热时所需要冷量（或热量）有关。在低温下，所有固体的比热容变化都很大。

在常温常压下，空气的质量不超过绝热材料的5%，但随着温度的下降，气体所占的比重越来越大。因此，在计算常压下工作的绝热材料时，应当考虑这一因素。

8、线膨胀系数

计算绝热结构在降温（或升温）过程中的牢固性及稳定性时，需要知道绝热材料的线膨胀系数。如果绝热材料的线膨胀系数越小，则绝热结构在使用过程中受热胀冷缩影响而损坏的可能性就越小。大多数绝热材料的线膨胀系数值随温度下降而显著下降。

3绝热材料的分类和基本性能

按材质可分为有机绝热材料、无机绝热材料和金属绝热材料三类。热力设备及管道用的保温材料多为无机绝热材料。这类材料具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点。例如：石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、泡沫玻璃混凝土、硅酸钙等。普冷下的保冷材料多用有机绝热材料，这类材料具有极小的导热系数、耐低温、易燃等特点。例如：聚苯乙烯泡沫塑料、聚

按形态又可分为多孔状绝热材料、纤维状绝热材料、粉末状绝热材料。多孔状绝热材料又叫泡沫绝热材料，具有质量轻、绝热性能好、弹性好、尺寸稳定、耐稳性差等特点。主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡胶、硅酸钙、轻质耐火材料等。纤维状绝热材料可按材质分为有机纤维、无机纤维、金属纤维和复合纤维等。在工业上用作绝热材料的主要是无机纤维，目前用得最广的纤维是石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝陶瓷纤维、晶质氧化铝纤维等。粉末状绝热材料主要有硅藻土、膨胀珍珠岩及其制品。这些材料的原料来源丰富，价格便宜，是建

按照绝热材料使用温度限度又可分为高温用、中温用和低温用绝热材料三种。1. 高温用绝热材料，使用温度可在700℃以上。这类纤维质材料有硅酸铝纤维和硅纤维等；多孔质材料有硅藻土、蛭石加石棉和耐热粘合剂等制品。2. 中温用绝热材料，使用温度在100~700℃之间。中温用纤维质材料有石棉、矿渣棉和玻璃纤维等；多孔质材料有硅酸钙、膨胀珍珠岩、