无机绝热材料的应用

无机绝热材料的应用

船舶绝热材料主要用于防火隔离、门静脉隔离和高温管道隔热。其性能的优劣直接影响到船上人员的安全及生活质量。当前,各种科技含量高的新型绝热材料已开始得到实际的应用。本文对无机类的绝热材料作一简要的介绍。1传统的机械性材料1.1保障表面的应用这种材料在船上的应用已有很长历史,它是由矿物纤维与水泥粘结剂经充分搅拌直至其配料分布均匀后制成。其最大优点是使用方便并适合用于大面积或不规则表面的绝热。另外,在配件、阀及金属丝网上应用绝缘块时,可用此材料填补其缝隙以光滑其表面。这种材料目前在美国海军舰船的维修中仍在使用。1.2/3g的纤维直径和密度玻璃棉可以制成在无机绝热材料中容重最小的制品。在美国等国家,玻璃棉的纤维直径可小到1μ左右,因此它的制品在容重20kg/m3时还能达到很高的强度和很好的绝热性能。我国玻璃棉的纤维直径一般在2～3μ,目前制品的最小容重为28kg/m3;如果容重再小的话,则会因有机物含量太高而影响制品的阻燃性能,或因制品的回弹率太差而影响使用效果。由于玻璃棉制品容重轻,甚至可以和有机泡沫材料媲美,因此1970年代起就被广泛应用,特别是美国海军舰船的舱室绝缘及潜艇的围壳绝缘材料主要是采用此制品。1.3心设备的制备岩棉制品是以辉绿岩、石炭土等矿物为主要原料,经高温熔融后由高速离心设备制成直径为5μ左右的纤维,同时均匀加入一定比例的粘结剂、防尘油、硅油加工而成。目前在船舶上主要是用它制成耐火分隔用的岩棉复合板。另外,岩棉还可用于加热管道的隔热。岩棉制品的最大优势是价格低廉。1.4高温热压cf材料硅酸铝纤维是陶瓷棉材料中的一种,也是最普通和最常用的。它以粘土、矾土、氧化铝和石英等为原料,经高温熔融后用离心法或喷吹法制得,主要成分是Al2O3和SiO2。该材料耐火温度较高(通常高于900℃),高温下的导热系数相对较小。其制品主要用于船舶耐火分隔和高温管道(如650℃的排汽管)隔热。该制品应选择容重较高的产品(容重在170～200kg/m3)。在这样的状态下,材料在高温下的隔热效果才能体现出来,才能满足A-60级的耐火分隔要求。硅酸铝纤维制品用作A-60级的耐火分隔时约需40mm厚。1.5绝热材料的生产硅酸钙制品是以硅质材料(粉煤灰、砂、硅藻土等)和钙质材料(消石灰等)为主要原料,适量掺加纤维增强材料,经制浆、成型、加压、蒸压养护、干燥、表面处理等工序制成的一种绝热材料。在船舶上应用的该制品主要有两种:一种是高容重的硅酸钙板(容重720～910kg/m3),其机械强度及压缩强度高,易加工切割,可作为耐火分隔的围壁板、衬板和天花板,另一种是容重在150kg/m3左右,导热系数约为0.04W/mK的轻质绝热材料,用于船舶的管道隔热。1.6分隔板的使用过去在船舶上曾经使用此材料作为耐火分隔板材,但目前已较少使用。不过,一些经过改进的膨胀珍珠岩板和膨胀蛭石板已开发出来,有的已在船舶上试用。2最先进的机械材料这些无机绝热材料是指1990年代以后研制出来的各种性能比较优异的新材料,其中有的已在船上应用,有的还处于试验阶段。2.1导热系数小、回弹成棉、可扩充材料泡沫石棉以温石棉为主要原料,经化学开棉、发泡、成型、干燥等工艺制成泡沫状制品。其容重可达30～40kg/m3,导热系数为0.046W/mK。它的最大特点是压缩回弹率高,制品压缩至50%时,压缩回弹率可大于80%。泡沫石棉与玻璃棉相比,前者的优点是可以不含有机物,手感细腻、柔软和不刺激皮肤。1990年代开始已将它广泛地用作船舶舱室绝缘材料。但有报道称,石棉制品有致癌作用,已引起了人们的顾忌,因此有些生产厂将泡沫石棉的名称改成了无机泡沫或其它名称。2.2岩棉和陶瓷棉国内有人称为硅酸盐纤维。它实际上是一种含有钙、镁元素的碱土金属硅酸盐纤维,在国外简称作AES。其主要化学成分是SiO2、MgO和CaO,与岩棉有点类似,但化学成分比岩棉纯。该材料的析晶温度为900℃,因此比较适合用作A-60级耐火分隔的隔热材料。与陶瓷棉相比,它的容重小一些;与岩棉相比,它的隔热性能更好些。因此,它是船上用作A级耐火分隔的一种很有发展前途的常规隔热材料。用硅酸盐纤维作A-60级的耐火分隔时厚度约需50mm。2.3连续纤维和超细纤维玄武岩属于岩浆岩,具有天然的化学稳定性和耐热性。其化学组份主要为SiO2和Al2O3,还有一些FeO、CaO、MgO等。玄武岩纤维采用单组分矿物原料熔体制备而成,可以制成玄武岩连续纤维(CBF)和玄武岩超细纤维(STBF)。它在耐温绝热、隔声性能方面优于其它纤维材料。它不同于玻璃纤维,能够在600℃高温下长期使用或者更高温度下短时间使用。该制品在空气与水介质中不会释放出有毒物质。玄武岩纤维在舱室绝缘技术中可用作高效绝热材料和吸声材料。容重40kg/m3的玄武岩超细纤维绝热材料在常温下的导热系数约为0.035W/mK。用厚度为30mm的该制品在与硬质墙之间无缝隙的条件下,其吸声系数可达0.9。目前,在玄武岩纤维开发方面,俄罗斯做得比较完善,主要是将其制成针刺毯与包缝毡,用作船上的隔声隔热材料。2.4热压法盐土法多晶莫来石纤维是一种新型的耐高温纤维材料。其化学成分72%～75%为A12O3。其制造原理是将可溶性的铝、硅盐制成具有一定粘度的胶体溶液,溶液用一般常规方法成丝,然后经过热处理转变成A1-Si氧化物多晶纤维。多晶莫来石纤维和普通硅酸铝纤维相比,它的优点是制品性能稳定,高温条件下不产生晶相变化,不存在渣球和其它杂质。容重为100kg/m3的多晶莫来石纤维毡用作船舶耐火分隔时,仅需25～30mm厚就能达到A-60级耐火等级。但目前该制品的价格还相当高,以致影响其实际应用。2.5超临界干燥技术纳米孔绝热材料的内部网络空隙在100nm以下,在材料的热传递中能有效地限制气相部分的热对流,因此具有很低的导热系数。纳米孔绝热材料分为气凝胶和类气凝胶两大类。它由基础材料SiO2,加入骨架增强材料和遮光剂所组成。SiO2气凝胶一般通过溶胶-凝胶过程和超临界干燥技术获得。溶胶-凝胶过程中,有机硅醇盐通过水解与缩聚反应形成具有纳米级网络孔洞结构的凝胶,利用超临界干燥过程则可在保持原有结构的前提下去除凝胶内的大量液体而制得SiO2气凝胶。气凝胶的干燥工艺极其困难,价格昂贵,因此目前除了在美国的航天飞船上作为绝热瓦使用外,尚未在船舶领域得到真正的应用。目前在国外船舶上,特别是一些军舰和高档客船上,耐火分隔和高温排汽管道的隔热所应用的是类气凝胶制品。类气凝胶制品以具有链状结构的超细SiO2微粉为主要原材料。这种SiO2微粉链状结构的原始粒径是在纳米级的范围内。将这些SiO2微粉通过烧结、粘结或与其他骨架材料进行复合的方法形成纳米孔绝热材料制品。目前在船舶领域所使用的纳米孔绝热材料制品,容重在200kg/m3左右,在平均温度500℃下的导热系数不超过0.05