不同硅酸鈣板導熱系數探討

毛戰紅（萊州祥云防火隔熱材料有限公司，山東 萊州 261400）

硅酸鈣板是一種優質絕熱材料，由于其具有優良的絕熱保溫性能，近年來被廣泛應用于電力、化工、冶金等高溫絕熱保溫行業。硅酸鈣板的導熱系數是衡量其絕熱性能的最重要參數，導熱系數越小，則保溫效果越好。因此，如何降低硅酸鈣板的導熱系數，是硅酸鈣板生產廠家共同面臨的問題。筆者根據自己多年的實踐經驗，對本公司各種硅酸鈣板導熱系數進行探討。通過對不同溫度下導熱系數的測定，探討了導熱系數與溫度、密度及生產方法的關系，確定了不同溫度下硅酸鈣板導熱系數最小時的最佳密度，為硅酸鈣板的設計施工提供指導。另外通過對硅酸鈣板進行不同方式的處理，探討了降低硅酸鈣板導熱系數的方法，為復合硅酸鈣板的研制與生產提供了依據。

1 實驗

1.1 實驗樣品與材料

實驗樣品分別選用公司生產的超輕質硅酸鈣板、普通硅酸鈣板及靜態硅酸鈣板。超輕質硅酸鈣板密度為127kg/m3；普通硅酸鈣板密度從170kg/m3到500kg/m3；靜態硅酸鈣板密度為400kg/m3和500kg/m3。實驗材料包括工業級鈦白粉、硅酸鋯、鋁箔等。樣品尺寸為直徑180mm，厚度20-25 mm。

1.2 實驗儀器與方法

實驗的主要儀器有是PBD-12-4型平板導熱系數儀。實驗共分三組進行，第一組：不同密度硅酸鈣板導熱系數測定；第二組：不同生產方法硅酸鈣板導熱系數比較；第三組：對同一密度硅酸鈣板分別進行噴涂鈦白粉、硅酸鋯或貼鋁箔等方法處理后測定導熱系數。導熱系數測定時以冷熱面的平均溫度為測定溫度，分別為100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃。

2 實驗結果與討論

2.1 不同密度硅酸鈣板導熱系數

測定結果如表1、圖1。

表1 不同密度硅酸鈣板導熱系數

圖1 不同密度硅酸鈣板在不同溫度下的導熱系數曲線

2.1.1 同一密度硅酸鈣板的導熱系數隨溫度變化規律

由圖1可以看出不論密度大小，同一密度硅酸鈣板的導熱系數均隨溫度的升高而增大。這是由于溫度升高時，分子熱運動增強，固相部分的導熱能力提高，同時材料孔隙中空氣的對流、導熱和孔壁間的輻射作用也有所增強，這就導致了導熱系數增大[1]。

表2 不同方法生產的硅酸鈣板導熱系數

2.1.2 超輕質硅酸鈣板隨溫度變化規律

由圖1可以看出密度127kg/m3的超輕質硅酸鈣板，在300℃以下時導熱系數最小，隨著溫度的升高導熱系數急劇增大，當溫度達到600℃時，其導熱系數最大。

這是由于溫度較低時，如300℃以下，材料的熱輻射和對流作用不大，材料的傳熱主要靠固相的導熱作用和空氣的導熱作用。由于硅酸鈣板本身具有較高的氣孔率，其導熱以空氣的導熱為主，密度越小空隙率越高，而空氣的導熱系數比固體小的多，這就使得密度127 kg/m3的超輕質硅酸鈣板導熱系數最小。隨著溫度升高，熱輻射對傳導熱量的作用越來越大，根據熱輻射理論，輻射傳遞的熱量與溫度的4次方成正比，密度越小空隙率越高，越有利于熱輻射的傳導[2]，因此，當溫度達到600℃時，密度127 kg/m3的超輕質硅酸鈣板導熱系數是所測試件中最大的。由此可以得出一個結論：硅酸鈣板的導熱系數并非密度越小越好，而與具體的使用溫度有關。在300℃以下溫度使用時，超輕質硅酸鈣板的導熱系數最小；在高溫時，導熱系數反而最大。

2.1.3 不同溫度等級下的最佳導熱系數及最佳密度

由圖1可以看出，在不同的溫度等級下，導熱系數隨密度變化并不成線性關系，而是在不同的溫度等級都有一個最小值，此時的密度為最佳密度。在300℃以下時，最佳密度為127kg/m3，這主要與材料本身具有較高的氣孔率結構有關，在低溫時以空氣導熱為主，密度越小空隙率越高，導熱系數就越小，因此密度為127kg/m3硅酸鈣板導熱系數最小。在300℃以上時，導熱系數先降后升，最佳密度為350kg/m3左右。這是由于隨著溫度的升高輻射作用越來越大，密度越大則固相對熱輻射的阻擋和散射作用越大，從而使材料的導熱系數降低。但隨著密度繼續增大，材料中的空隙率進一步減小，材料處于密實狀態，此時固相的導熱作用增大[3]，雖然輻射作用不斷減小，但總體上導熱系數變大。

2.2 不同方法生產的硅酸鈣板導熱系數比較

為研究不同生產方法對硅酸鈣板導熱系數的影響，分別選用公司生產的同一密度等級的動態法生產的動態硅酸鈣板與靜態法生產的靜態硅酸鈣板進行導熱系數比較，試驗結果如表2、圖2。

圖2 不同方法生產的硅酸鈣板導熱系數曲線

由圖2可以看出，對同一密度的硅酸鈣板，采用靜態法生產的靜態板導熱系數比動態法生產的普通鈣板導熱系數明顯偏高，特別是400℃以上高溫時，差別更明顯。這是由于生產方法不同，硅酸鈣板的分子結構不同，動態法生產的硅酸鈣板孔徑較細，而靜態法生產的硅酸鈣板孔徑較粗。當材料密度相同時，材料孔徑越細數量越多，在熱量傳遞過程中分子的移動阻力就越大，導熱系數也就越小；而材料孔徑越粗數量越少，分子移動阻力就越小，導熱系數也就越大。因此靜態板的導熱系數比動態板大，特別是在高溫時輻射作用增強，這種差別就更加明顯。

2.3 不同方法處理后硅酸鈣板導熱系數比較

由于硅酸鈣板本身的結構和性質決定其導熱系數有一定的極限值，而實際工程設計施工過程中，有些絕熱部位要求采用比現有硅酸鈣板導熱系數更低的絕熱材料，為此需要對硅酸鈣板采用噴涂或復合等方法進行處理，以滿足要求。

本試驗采用對同一密度的硅酸鈣板分別在其表面噴涂鈦白粉、硅酸鋯和表面貼鋁箔的方法進行處理。所得結果如表3、圖3。

表3 不同方法處理后硅酸鈣板導熱系數

由圖3可以看出，硅酸鈣板經噴涂鈦白粉、硅酸鋯或復合鋁箔后可以不同程度地降低導熱系數，這是由于經過處理后的硅酸鈣板，在熱量傳遞過程中阻擋或反射了一部分熱量[4]，從而使材料導熱系數降低。由此可見，對硅酸鈣板進行噴涂或復合是降低其導熱系數的有效途徑。

圖3 不同方法處理后硅酸鈣板導熱系數曲線

3 結 語

3.1 同一密度硅酸鈣板的導熱系數隨溫度升高而增大。

3.2 硅酸鈣板導熱系數不一定密度越小越好，而要根據不同的使用溫度來選擇最佳密度的硅酸鈣板，在300℃以下密度越小導熱系數越小；而在300℃以上，最佳密度為350 kg/m3左右。

3.3 對同一密度的硅酸鈣板，動態法生產的硅酸鈣板導熱系數較小，而靜態法生產的硅酸鈣板導熱系數相對較大。

3.4 對硅酸鈣板進行噴涂或復合有阻擋或反射作用的材料，可以有效降低硅酸鈣板導熱系數，這對研制生產低導熱系數的復合硅酸鈣板提供了一定思路。

[1] 高艷軍.淺析保溫隔熱材料[J].科技情報開發與經濟 .2005,15,（8）.151-152

[2] 李懋強，陳玉峰.微孔硅酸鈣絕熱材料的密度和導熱系數的關系[J].硅酸鹽學報.2005，33(11).1414-1417

[3]蘇高輝，楊自春，王洪宇.微孔硅酸鈣的有效導熱系數和最佳密度[J].應用能源技術.2011,(4).1-5

[4]劉述祖.硅酸鹽工業熱工基礎[M].武漢:武漢工業大學出版社，1996.231-235