一种新型绝热材料在低温储运装备上的应用展望

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南通中集罐式储运设备制造有限公司 作者:王坤

  目前低温储运装备的超级绝热方式,围绕绝热方式的不足,引入了一种非常有前景的超级新型绝热材料-气凝胶的概念,并介绍了气凝胶的发展历史,及气凝胶的独特的绝热性能,轻质量,无放气性,以及适应各种复杂形状的灵活使用性,同时对气凝胶的缺点和改进方法,在低温绝热领域的应用,以及展望了研究热点。

1、引言

  世界经济的迅猛发展,极大促进了低温工业气体如LO2、LN2、LAR、LNG等的需求,同时也极大地促进了这些低温介质的运输,由于低温介质的获得需要耗费很多的能量,对于绿色环保节能的大需求,低温运输装备的绝热性能就变得非常重要。

2、低温真空绝热方式

  低温绝热材料主要有纤维形状、微孔形状、层状结构以及纳米微孔等结构。目前典型的低温运输装备如低温罐箱、低温罐车均采用较多的为高真空多层绝热,保温性能较好,表1列出了几种典型的绝热真空绝热方式优缺点:

  由于目前真空绝热中,具有的“难于对复杂形状绝热,存在平行方向的导热,真空度要求高,绝热材料本身有放气”这些缺点,对于目前低温储运装备领域的绝热性能,真空度的维持都有一定的影响,需要寻找另一种更加好的低温绝热材料。气凝胶作为一种优秀的绝热材料,成为研究方向。

表1 几种典型的真空绝热方式优缺点

几种典型的真空绝热方式优缺点

3、气凝胶及特性

  工业和低温应用对隔热材料提出了诸多要求。必须易于应用,在宽温度范围内提供出色的绝热性能,并且在恶劣的环境条件下不随时间而劣化。

  气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构,并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散轻质固体材料,因其半透的色彩和超轻重量,有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”(如图1所示),作为世界上最轻的固体,其99%的组成成分是气体,这使得气凝胶呈云雾状,外观看起来像云一样。

云雾状的气凝胶

图1 云雾状的气凝胶

  被称为“改变世界的神奇材料”的气凝胶,是世界上最轻的固体材料之一。最常见的气凝胶为SiO2气凝胶。SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料,其孔隙率高达80%~99.8%,孔洞的典型尺寸为1~100nm,比表面积为200~1000m2/g,而密度可低至3kg/m3,比空气重三倍。具体气凝胶用于低温储运装备上的一些优异性能。

  3.1、高隔热性

  由于气凝胶中大量细小气孔的尺寸处于纳米级,小于空气分子70mm的平均自由程,所以气凝胶复合材料具有极低的导热系数,可达到0.013~0.016W/(m·K),低于静态空气0.024W/(m·K)的热导系数,由于气凝胶的导热性是传统材料(例如聚氨酯泡沫、矿棉、珍珠岩和泡沫玻璃)的1/2~1/4,因此,可在同样的厚度和明显减少的隔热用料下提供更高的热效率,比相应的无机绝缘材料低2~3个数量级。高温下不分解,无有害气体放出,属于绿色环保型材料。SiO2气凝胶与各种耐热纤维复合后,可制成各种形式的保温材料。

  美国的Science杂志把气凝胶列为十大热门科学之一。虽然,气凝胶的主要成分是空气,但其具有优异的绝热性能,用喷枪在一层薄薄的气凝胶下加热都不能使气凝胶上面的火柴点燃。一块2.54cm厚的气凝胶就拥有每两层间具有气室的15块玻璃板叠层的绝热能力。

  3.2、耐久性

  由无定形无机二氧化硅制成,不含像聚氨酯泡沫一样会随时间降解的发泡剂,因此气凝胶的性能持久而稳定。其弹性机械性能使其可容易地适应机械运动和振动,而不会像珍珠岩般沉降。卡博特气凝胶是完全疏水的,不像许多隔热材料会吸收水分。

  3.3、易用性

  气凝胶的柔韧性特别好,非常易于为不同形状的绝热结构提供定制的产品,如颗粒状(如图2所示),片状(如图3所示),被子状等。其中颗粒尤其适用于松散填充应用,甚至可填充复杂几何结构(如双壁罐)中以及配件和阀门周围的小空穴,片状适合于在现场切割、收卷和成形,并以最少的产尘用于安装到管道、储罐和其他设备上,被状则可以为管道系统中的快速安装而设计。此外气凝胶的折射率、声阻抗都很低,吸附性能极其优良;正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力和前景。重关注其在低温隔热上的应用。

7、凝胶产品在低温绝热上的应用

  7.1、太空服

  气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿的太空服研制一种保温隔热衬里。AspenAerogel公司的一位资深科学家马克·克拉耶夫斯基认为,一层18mm的气凝胶将足以保护宇航员抵御-130℃的低温,可见他是最棒的绝热材料。

  7.2、航天器放热瓦,燃料箱隔热层

  飞机上记录飞行状况数据的黑匣子已用新型气凝胶产品作为隔热层,美国美洲豹战斗机的机舱隔热层采用的也是该材料,美国NASA在火星流浪者的设计中,也用过SiO2气凝胶材料作为保温层,用来抵挡火星夜晚-100℃以下的超低温。美国NASAAmes研究中心研发的硅酸铝耐火纤维/SiO2气凝胶复合绝热瓦已用于航天飞机,俄罗斯的“和平号”空间站也采用了SiO2气凝胶作为隔热保温材料。

  7.3、LNG海底低温管道

  由于LNG海底低温管道的特殊性,目前更多的意见是倾向于采用气凝胶材料绝热层和9%镍钢降低了内层管壁。这种材料的绝热性能远高于传统绝热材料,因此达到要求的绝热性能所需要的材料用量较少,相应降低了绝热层的厚度和外层管壁的直径,降低了管道成本。这种材料具有防水的特性,不会因为水分的降解而降低绝热性能,但是这种材料价格较高。

  7.4、LNG船

  美国的卡博特公司(Cabot)正在研究,利用气凝胶来建造LNG船,而对于LNG船的气体储藏库来说,如果能够使用气凝胶,那么不但具有很好的绝热效果,同时也能大量缩减储藏库的体积。

8、展望

  总体来说,气凝胶具有质量轻、低绝热性、防水性,易于成型等特色已经成为低温绝热领域的一个新的热点,在军用低温领域已经获得了成功的使用,目前在民用领域也在越来越重视其应用研究,降低制备成本,优化超临界干燥工艺,制造高品质气凝胶等都成为今后各国科学家共同努力突破的关键。期待气凝胶能在低温罐箱、低温储罐、低温罐车的真空绝热材料选择上取代目前使用的多层绝热材料,获得广泛的应用并提升低温装备的性能。

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