森林与环境学报  2019, Vol. 39 Issue (1): 95-101   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2019.01.016
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王保文, 李志慧, 刘恩文, 戴达松, 范毜仔, 饶久平
WANG Baowen, LI Zhihui, LIU Enwen, DAI Dasong, FAN Mizi, RAO Jiuping
真空绝热板芯材木粉原料的隔热性能分析
Analysis of insulation performance of wood powder as core material of vacuum insulation panel
森林与环境学报,2019, 39(1): 95-101.
Journal of Forest and Environment,2019, 39(1): 95-101.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2019.01.016

文章历史

收稿日期: 2018-05-06
修回日期: 2018-07-24
真空绝热板芯材木粉原料的隔热性能分析
王保文1, 李志慧1, 刘恩文1, 戴达松1, 范毜仔1,2, 饶久平1     
1. 福建农林大学材料工程学院, 福建 福州 350002;
2. 布鲁奈尔大学工程、设计与理学院工程系, 伦敦 UB8 3PH
摘要:以杉木和落叶松的木粉为研究对象,测定其三大化学组分的含量,利用瞬态平面热源法(TPS)导热系数仪测定植物纤维素、半纤维素和木素以及不同粒径木粉的导热系数,全自动压汞仪测定不同粒径木粉内部的孔隙结构,通过场发射电子显微镜观察两种木粉表面的形貌,并与多种常用真空绝热板(VIP)芯材原料的导热系数和成本进行对比。结果表明:纤维素、半纤维素和木素的导热系数分别为86.1、55.7和50.7 mW·(m·K)-1;杉木木粉的木素含量相对较高,纤维素和半纤维含量相对较低;杉木木粉开孔较多,孔径较小;在粒径为106~150 μm时,杉木木粉的孔隙率为88.2%,总孔体积为7.876 cm3·g-1,平均孔径为18.1 μm,导热系数较低,为48.4 mW·(m·K)-1,并且芯材成本较其他材料低,制备所得VIP导热系数为10.6 mW·(m·K)-1
关键词杉木    落叶松    木粉    化学成分    孔隙结构    导热系数    
Analysis of insulation performance of wood powder as core material of vacuum insulation panel
WANG Baowen1, LI Zhihui1, LIU Enwen1, DAI Dasong1, FAN Mizi1,2, RAO Jiuping1     
1. College of Materials Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;
2. Civil Engineering Department, School of Engineering and Design, Brunel University, London, UB8 3PH, UK
Abstract: Chinese fir and larch wood powders were used to study the thermal conductivity of the major chemical components of plants (cellulose, hemicellulose, and lignin). Different wood powder sizes were measured using the transient plane heat source (TPS) technique and a thermal conductivity tester, and the composition of the wood powders were compared. The pore structure of different sized wood powders was measured using an automatic mercury porosimeter. The surface morphology of the two wood powders was observed using a field emission scanning electron microscope (FESEM). After comparing the thermal conductivity and cost of several common vacuum insulation panel (VIP) core materials, the cost performance of the wood powders was determined. The thermal conductivities of cellulose, hemicellulose, and lignin were 86.1, 55.7, and 50.7 mW·(m·K)-1, respectively. The lignin content of the fir powder was relatively high, whereas the content of cellulose and hemicellulose was relatively low. The FESEM results indicated that the fir powder was more porous with smaller pore sizes. The porosity of the fir powder in the 106-150 μm was 88.2%, total pore volume was 7.876 cm3·g-1, average pore size was 18.1 μm, thermal conductivity was lower at 48.4 mW·(m·K)-1, and core material cost was lower than that of other materials. For comparison, the thermal conductivity of VIP is 10.6 mW·(m·K)-1.
Key words: Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.     Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.     wood powder     chemical composition     pore structure     thermal conductivity    

随着经济的高速发展,保温隔热材料的应用越来越广泛,不仅在传统的建筑保温、家电领域,而且在冷藏冷链、航空航天等领域的使用也日渐扩大[1-2]。各应用领域对保温材料无论在隔热性能还是在制造成本及绿色环保生产等方面均有更高的要求[3-5]。真空绝热板(vacuum insulation panel,VIP)是近年迅速发展的新一代高性能保温材料,是基于绝热结构和真空隔热机理设计而成的,主要由内部芯材、吸附剂以及表面气体隔绝膜构建而成[6-7]。其中芯材是VIP最重要的部分,不仅能够使其在高度真空的条件下不会塌瘪,其本身还需具有较高的隔热性能[8]。芯材制造的成本占真空绝热板价格的45%以上,所以芯材原料的价格和制作成本也是决定其是否能够广泛应用的关键[9]。目前国外主要还是以气相二氧化硅作为芯材,但其高昂的价格阻碍了它在我国的实际应用[10-11];国内则是以湿法玻璃纤维为主,但其生产过程复杂、不环保,产品不易降解且易对人体产生危害,限制了VIP在保温领域的大量使用[12-13]。另外,如岩棉、硅灰、发泡聚合物、膨胀珍珠岩等VIP芯材原料都存在一个难以再生循环利用,不可降解的共同缺点,与贯彻落实我国资源永续利用的政策仍存在较大的差距[14-15]。近年来,许多学者开始研究利用导热系数低的生物质原料作为VIP的芯材,但由于对植物原料基础隔热性能的研究不够全面,使生物质真空绝热板一直难以取得突破性进展[16-18]。木材因其具有较低的导热系数[常温状态下约为88.4~194.2 mW · (m · K) -1] [19]而显示出良好的保温效果,自古以来常常被人们用作墙体材料,并且无毒无污染、可自然降解。杉木[Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.]和落叶松[Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.]分别是我国南、北方产量相对丰富的树种,常温绝干条件下其导热系数[20]分别约为138.2、83.1 mW · (m · K)-1。单纯的木材难以满足VIP芯材隔热性能的要求,而木粉是由木材加工过程中产生的边角废料制造而成[21],主要由纤维素、半纤维素、木素等组成,具有更加优异的隔热性能,且成本低、来源广。然而,我国对于废弃木屑常作为燃料燃烧产热,附加值不高,若能赋予其更高的利用价值,将废弃木屑加工成木粉,并制成VIP,实现“点绿成金”,这对于我国资源永续利用,清洁生产,节能减排等环境保护战略具有重大意义。

以南方产量丰富的杉木木粉[22]和北方的落叶松木粉为原料,采用瞬态平面热源法(transient plane source technique,TPS)导热系数测试仪对杉木木粉与落叶松木粉的导热系数进行分析,同时,分析木粉中主要化学组分(纤维素、半纤维素、木素)对其导热系数的影响。采用全自动压汞仪研究不同粒径木粉内部的孔隙结构,通过对比不同木粉中的化学成分和物理结构,探究它们与植物原料隔热性能之间的关系,以期揭示其影响植物材料隔热性能的机理。利用场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope,FESEM)观察两种木粉的微观形貌,并对木材、木粉及木粉VIP的导热系数进行了比较分析。通过对比不同VIP芯材原料的导热性能和成本,进一步探讨木粉在保温材料领域应用的可行性。

1 材料与方法 1.1 试验材料

杉木和落叶松木粉购自河北灵寿县凯信矿产品贸易有限公司,通过振筛机进行不同尺寸粒径(270~1 000 μm、150~270 μm、106~150 μm、75~106 μm、58~75 μm)木粉的筛分。将样品置于恒温干燥箱中,于(105±2) ℃下干燥至恒重,取出后放入特制干燥器,冷却至室温后进行测试。纤维素、半纤维素购自复纳新材料科技有限公司,木素购自济南宝达染料化工有限公司。

1.2 试验仪器

震击式振筛机(ZBSX-92A型,中北建工仪器设备有限公司)、电热恒温干燥箱(YHG-9245A型,上海姚氏仪器设备厂)、FESEM (SU8000,日本HITACHI)、全自动压汞仪(Autopore Ⅲ 9420型,美国麦克仪器公司)、TPS导热系数测试仪(HS-DR-5,上海和晟仪器科技有限公司)、电子分析天平(YZ600,上海香鹰衡器有限公司)、万能试验压机(BY302X2/15,苏州新协力机器制造有限公司)、真空包装机(JH-600,青岛嘉和机电设备有限公司)、热流法导热分析仪(HFM436,德国NETZSCH)等。

1.3 试验方法 1.3.1 木粉化学成分的测定

参照相关标准与文献[23-25],测定杉木和落叶松木粉中纤维素、半纤维素、木素的含量。每次平行测定3次,取平均值作为测定结果。

1.3.2 孔隙结构的测定

通过压汞法对不同木粉进行孔隙结构分析,利用全自动压汞仪从压力低到高进行加压,往样品的大孔和小孔中填入水银。测试条件:排气压力6.7 Pa,排气时间5 min,汞填充压力3.5 kPa,平衡稳定时间5 s。每组测试3个,取平均值。

1.3.3 材料导热系数的测定

将不同样品(木粉、纤维素、半纤维素和木素,其中纤维素、半纤维素和木素的粒径为18~25 μm)置于烘箱中,在(105±2) ℃下干燥至恒重,之后,取出样品,放置于特制干燥器(40 cm×20 cm×20 cm)内,冷却至室温(25 ℃),将TPS导热系数测试仪[26]的探头(半径15 mm)引入干燥器内,取冷却后的样品铺满于直径为30 mm,高度为10 mm的两个玻璃表面皿,随后将探头铺于其中一个木粉上,将另一个铺满木粉的表面皿倒扣于探头上,依照ISO 22007-2—2008标准[27],对样品导热系数进行测试,其中测试时间为160 s,采样间隔为640 ms,同时,依据设备要求,探头温升控制在12~13 ℃之间。每组样品测试10次。

1.3.4 木粉的FESEM观察

采用FESEM对杉木木粉和落叶松木粉的微观形貌进行表征。先对木粉的表面进行喷金处理,然后采用二次电子成像模式进行采集,加速电压为1 kV。

1.3.5 VIP的制备及导热系数测试

木粉VIP芯材制备工艺:称取一定量的木粉,装入尼龙网袋中,放入200 mm×200 mm×10 mm (长×宽×深)的模具中,在室温下冷压5 min,压力1 MPa,控制芯材容重为300~325 kg · m-3,冷压成型后,取出木粉板放入烘箱中,(105±2) ℃下干燥至恒重,之后,迅速将其放入气体阻隔袋中,真空封装,热封温度为150 ℃,VIP板内真空度为0.1 Pa。VIP导热系数的测定:将VIP置于导热分析仪内,设定环境温度为25 ℃,热板与冷板温差为20 ℃,标准差为2%。

1.3.6 VIP芯材木粉原料成本计算

VIP芯材原料成本不仅要考虑原料自身成本,还需综合堆积密度和常温下导热系数进行评估。参照ALMEIDA et al[28]和司坤[29]的计算方法,VIP芯材木粉原料成本(wood powder material cost,Cp)的计算公式为:

$ {C_{\rm{p}}} = RB\lambda $ (1)

式中:R为原料价格(元· kg-1);B为原料堆积密度(kg · m-3);λ为原料导热系数W · (m · K)-1

2 结果与分析 2.1 化学成分的导热系数

不同化学成分的导热系数如表 1所示,差异明显。由于TPS导热系数测试仪能够较好反映材料自身固有的热物性,因此,推测纤维素、半纤维素、木素含量的不同能够对植物原料的隔热性能造成一定影响。同时,测定杉木和落叶松木粉中纤维素、半纤维素、木素的含量(表 2)。杉木木粉的纤维素和半纤维素含量都低于落叶松木粉,而木素含量则远高于落叶松木粉,仅从化学组分上综合推测杉木木粉的隔热性能优于落叶松木粉。

表 1 不同化学成分的导热系数 Table 1 Thermal conductivity of different chemical components
化学成分
Chemical component
导热系数Thermal conductivity/[mW·(m·K)-1]
纤维素Cellulose 86.1
半纤维素Hemicellulose 55.7
木素Lignin 50.7
表 2 不同树种木粉的组成成分 Table 2 Compositions of different tree species
木粉Wood powder 含量Content/%
纤维素
Cellulose
半纤维素
Hemicellulose
木素
Lignin
杉木木粉Chinese fir powder 47.1 19.5 32.4
落叶松木粉Larch powder 52.9 23.1 20.6
2.2 孔隙结构分析

孔隙结构对材料的隔热性能起到至关重要的作用,木粉的孔隙率、孔径、总孔体积都与其导热性能息息相关。通常孔隙率越高、总孔体积越大、孔径越小,则材料的隔热性能越好[30]。压汞法是一种能够在较短时间内测出材料的孔隙率、孔径、总孔体积的方法,利用该方法对不同木粉进行测试,结果如表 3所示。在粒径为58~1 000 μm,杉木木粉的孔隙率为63.6%~88.2%,落叶松木粉的孔隙率为64.8%~76.0%。当杉木木粉粒径为270~1 000 μm时,孔隙率达到最小值,为63.6%,总孔体积也达到最小值,为2.305 cm3 · g-1。杉木木粉粒径在106~150 μm时,孔隙率达到最大值,为88.2%,总孔体积也达到最大值,为7.876 cm3 · g-1。而落叶松木粉粒径在58~75 μm时,孔隙率和总孔体积达最大值,分别为76.0%和2.419 cm3 · g-1;在粒径为270~1 000 μm时,孔隙率和总孔体积都为最小值,分别为64.8%和2.024 cm3 · g-1。杉木木粉粒径在106~150 μm时,平均孔径最小,为18.1 μm;落叶松木粉粒径在58~75 μm时,平均孔径最小,为29.5 μm。粉体材料的总孔隙主要由其自身所具有的孔隙和颗粒间堆积所形成的空隙共同构成,尺寸大小主要是影响材料颗粒间堆积形成的空隙数量与大小,相对来说,杉木粒径在106~150 μm和落叶松粒径在58~75 μm的木粉形态可能更有利于堆积形成大量较小的空隙,使得材料孔隙率较高,孔径较小。

表 3 不同树种木粉的孔隙结构参数 Table 3 Pore structure parameters of different wood powder
树种
Tree species
粒径Size of wood powder/μm 平均孔径Average pore size/μm 总孔体积Total pore volume/(cm3·g-1) 孔隙率
Porosity/%
270~1 000 37.5 2.305 63.6
150~270 30.8 2.733 69.7
杉木Chinese fir 106~150 18.1 7.876 88.2
75~106 23.0 3.952 77.2
58~75 18.9 3.004 72.2
270~1 000 57.5 2.024 64.8
150~270 36.9 2.256 65.8
落叶松Larch 106~150 33.8 2.353 71.9
75~106 44.1 2.156 69.5
58~75 29.5 2.419 76.0

图 1为通过压汞法测试所得不同粒径的杉木木粉和落叶松木粉的累积入侵曲线。通常来说,累积入侵曲线是指木粉在不同孔径大小下累积侵入汞的百分含量,所以从累积入侵曲线上可以观察到不同木粉孔隙结构中大小孔的体积分布[31]。粒径为270~1 000 μm、150~270 μm、106~150 μm、75~106 μm、58~75 μm的杉木木粉大于10 μm的孔体积占总孔体积的百分比分别为94.4%、98.7%、88.6%、91.1%、89.2% [图 1(a)]。粒径为270~1 000 μm、150~270 μm、106~150 μm、75~106 μm、58~75 μm的落叶松木粉大于10 μm的孔体积占总孔体积的百分比分别为95.9%、95.6%、93.7%、95.8%、93.1% [图 1(b)]。在粒径为106~150 μm时,杉木木粉小于10 μm的孔最多,孔隙尺寸最小,结构更加致密, 所以从物理结构上106~150 μm的杉木木粉更适合作为VIP的芯材原料。

图 1 不同树种木粉的累积入侵分布曲线 Fig. 1 Distribution of cumulative intrusion of different wood powder
2.3 木粉的导热系数

导热系数是衡量VIP芯材原料隔热性能最重要的指标之一,主要由固体传热、气体传热、辐射传热构成[32]。在常温条件下,辐射传热相对较小,所以固体传热和气体传热在总的传热中起主导作用。利用TPS导热系数测试仪对不同树种木粉进行测试,结果如表 4所示。在粒径为58~1 000 μm时,杉木木粉的导热系数为48.4~53.5 mW · (m · K)-1,落叶松木粉的为58.6~64.4 mW · (m · K) -1;当杉木木粉粒径为106~150 μm时,导热系数为所有样品中的最小值,为48.4 mW · (m · K) -1。总体上,杉木木粉的导热系数普遍低于落叶松木粉,主要是因为纤维素的导热系数远高于木素,而杉木木粉中纤维素含量较低,木素含量较高,所以杉木木粉在化学成分的隔热性能上优于落叶松木粉。从物理结构即孔隙结构上可以观察到,当杉木木粉粒径为106~150 μm时,孔隙率和总孔体积为所有样品中最大的。孔隙率越高,总孔体积越大,颗粒间的固体接触则越少,材料的固体传热也越小, 当杉木木粉粒径为106~150 μm时,孔径也为所有样品中最小,为18.1 μm。孔径是影响气体传热的重要因素之一,孔径越大,则气体传热越大,特别是在常压下,气体传热的影响占材料总的传热很大一部分。虽然VIP结构中,芯材是处在一个低压环境中,但是在实际应用过程中还是会有微量的气体渗入,而孔径越小,对气压的敏感性也越低,进而VIP的使用时间也越长。

表 4 不同树种木粉的导热系数 Table 4 Thermal conductivity of different wood powder
树种
Tree species
粒径Size of wood powder/μm 导热系数Thermal conductivity/[mW·(m·K)-1]
杉木Chinese fir 270~1 000 53.5
150~270 51.9
106~150 48.4
75~106 50.8
58~75 49.8
落叶松Larch 270~1 000 64.4
150~270 62.1
106~150 60.8
75~106 61.2
58~75 58.6
2.4 木粉表面形貌结构分析

图 2是杉木木粉和落叶松木粉的FESEM观察图。杉木和落叶松木粉都具有单孔和具缘纹孔,其中,落叶松含有更多具缘纹孔,且多数为闭塞纹孔,十分不利于后期芯材抽真空的过程中空气的抽出,从而导致气体存留于VIP中,进而影响VIP内部的真空度,最终影响VIP的隔热性能。杉木木粉的纹孔孔径总体小于落叶松木粉,使得气体传热减小,隔热性能提高。

图 2 不同树种木粉的FESEM图 Fig. 2 FESEM micrographs of Chinese fir powder and larch powder
2.5 杉木和落叶松不同阶段隔热性能对比

由上述分析可知,杉木木粉和落叶松木粉导热系数最低的粒径范围分别为106~150 μm和58~75 μm,选取该范围内的两种木粉制备VIP,对比木材、木粉及木粉VIP的导热系数,结果如表 5所示。杉木和落叶松木材加工成木粉之后,导热系数都显著降低,这可能是由于相同树种木粉密度低于木材,并且木粉堆积所形成的空隙使得材料总的孔隙率增大, 固体接触减少,固体传热大大降低。通过将两种木粉制备成VIP后,导热系数进一步降低,杉木木粉和落叶松木粉VIP导热系数分别为10.6和15.4 mW · (m · K) -1,这是因为VIP采用真空封装技术,将芯材内部气体几乎全部抽出,并封装于气体阻隔膜内,使得气体传热基本可以忽略不计,所以隔热性能大大提高。3个阶段杉木木粉的导热系数都低于落叶松木粉,所以杉木木粉相比落叶松木粉更适合作为VIP芯材原料。

表 5 杉木和落叶松不同阶段导热系数 Table 5 Thermal conductivity of fir and larch at different stages
树种
Tree species
阶段
Stages
导热系数Thermal conductivity/[mW·(m·K)-1]
杉木Chinese fir 木材Wood 83.1
木粉Wood powder 48.4
木粉VIP Wood powder VIP 10.6
落叶松Larch 木材Wood 138.2
木粉Wood powder 58.6
木粉VIP Wood powder VIP 15.4
2.6 不同VIP原料芯材导热系数和成本对比

利用TPS导热系数测试仪对几种常见VIP芯材原料进行测定,结果如表 6所示。粒径为106~150 μm的杉木木粉的导热系数相对较优,为48.4 mW · (m · K) -1,而且价格低廉,为6.7元· W · m-4 · K-1。而气相二氧化硅的导热系数虽然最低,为30.8 mW · (m · K) -1,但是其价格十分昂贵,为52.5元· W · m-4 · K-1。综合隔热性能和芯材成本因素,以杉木木粉(粒径106~150 μm)进行VIP芯材的开发利用,具有可行性和广阔的应用前景。

表 6 不同VIP芯材原料导热系数 Table 6 Thermal conductivity of different VIP core materials
芯材原料
Core material
导热系数
Thermal conductivity/[mW·(m·K)-1]
堆积密度
Bulk density/(kg·m-3)
木粉原料成本
Cost of wood powder materials/(元·W·m-4·K-1)
杉木木粉Chinese fir powder(106~150 μm) 48.4 115 6.7
落叶松木粉Larch powder(58~75 μm) 58.6 310 18.2
膨胀珍珠岩Expanded perlite 51.3 200 20.5
沉淀二氧化硅Precipitated silica 40.5 75 30.4
硅灰Silica fume 45.6 250 17.1
气相二氧化硅Fumed silica 30.8 55 52.5
注:杉木木粉的价格为1.2元· kg-1;落叶松木粉的价格为1元· kg-1;膨胀珍珠岩的价格为2元· kg-1;沉淀二氧化硅的价格为10元· kg-1;硅灰的价格为1.5元· kg-1;气相二氧化硅的价格为31元· kg-1。Note: the price of Chinese fir powder is 1.2 yuan · kg-1. The price of larch powder is 1 yuan · kg-1. The price of expanded perlite is 2 yuan · kg-1. The price of precipitated silica is 10 yuan · kg-1. The price of silica fume is 1.5 yuan · kg-1, and the price of fumed silica is 31 yaun · kg-1.
3 结论

植物原料三大化学组分中,纤维素的导热系数较高,为86.1 mW · (m · K) -1,半纤维素的为55.7 mW · (m · K) -1,木素较低,为50.7 mW · (m · K) -1。杉木木粉的木素含量高于落叶松木粉,并且纤维素和半纤维素含量都相对较低,所以仅从化学组分上综合推测杉木木粉的隔热性能优于落叶松木粉。当杉木木粉的粒径为106~150 μm时,孔隙率最高,为88.2%,总孔体积最大,为7.876 cm3 · g-1,孔径最小,为18.1 μm,所以在该粒径范围内,木粉的固体传热和气体传热都为最低,属于隔热性能较佳的隔热材料。TPS导热系数测试仪的测试结果也表明粒径为106~150 μm时,杉木木粉的导热系数最低,为48.4 mW · (m · K) -1,制备所得VIP导热系数为10.6 mW · (m · K) -1。杉木和落叶松木粉都具有单孔和具缘纹孔,但落叶松木粉含有更多闭塞纹孔,这对其在制备VIP抽真空排气过程十分不利。通过对比几种常用VIP芯材原料的隔热性能和成本,杉木木粉在粒径为106~150 μm时制备的芯材原料成本最低,为6.7元· W · m-4 · K-1。因此,利用生物质原料杉木木粉作为VIP芯材原料,能够在保证一定隔热性能的基础上,降低其生产成本,减少生产过程中的污染,极大地推动VIP的广泛使用。

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