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陶瓷絕熱防腐涂料的原理及應用
 
發布時間:2009.02.27 新聞來源:中國防腐涂料網 瀏覽次數:
 
陶瓷絕熱防腐涂料的絕熱原理

    1.1超級絕熱涂料的概念

    早在1969年,美國太空總署提出以陶瓷隔熱磚提供太空船的絕熱保護后,就認為涂料絕熱是可能的。美國太空總署發表的數據表明,厚9.5~31.8mm的陶瓷隔熱磚中,真正發揮絕熱作用的是陶瓷隔熱磚上的0.25mm厚的陶瓷涂料外層,占絕熱效果的95%,而陶瓷隔熱磚的基層(泡沫體)只提供5%的絕熱保護。為此1977年,美國成立了一家公司,專門致力于研究、開發和生產這種涂料。但其機理始終對外保密。

    1992年美國學者Hunt,A.j.等在國際材料工程大會上提出了超級絕熱材料(Supperinsulator)的概念。與此概念相近的還有“高性能絕熱材料(highperformanceinsulatingmaterial)”。在此之后很多學者陸續使用了超級絕熱材料的概念。一般認為超級絕熱材料是指:在預定的使用條件下,其導熱系數低于“無對流空氣”導熱系數的絕熱材料。

    1.2陶瓷絕熱涂料的絕熱機理

    對于絕熱涂料而言,(固體)熱傳導主要由絕熱材料中的固體部分來完成;熱對流則主要由絕熱材料中的空氣來完成;熱輻射的傳遞不需要任何介質。因此要實現超級絕熱材料的目的,一是要使材料的體積密度在保持足夠的機械強度的同時,其體積密度要極端的小;二是要將空氣的對流減弱到極限;三是要通過近于無窮多的界面和通過材料的改性使熱輻射經發射、散射和吸收而降到最低。

    研究結果表明,當材料中的氣孔直徑小于一定尺寸時,氣孔內的空氣分子則失去了自由流動的能力,而是相對地附著在氣孔壁上,這時材料處于近似于真空狀態。同時由于材料內部含有極多的發射界面與散射微粒,再加上在熱輻射吸收方面對材料進行改性,保證了陶瓷絕熱涂料不論在高溫、常溫及低溫下有良好的絕熱效果。

    2陶瓷絕熱防腐涂料的協同絕熱理論

    陶瓷絕熱涂料涉及到真空絕熱技術、紅外反射技術、熱力學技術以及散射技術、防腐技術等,它是眾多絕熱技術協同作用的結果。其理論應屬多學科邊緣技術的結合,在此稱為協同絕熱理論概括如下:

    2.1真空隔熱(保溫)原理

    真空隔熱(保溫)一般情況下系用以下方案:1)采用高真空雙層壁;2)采用高真空的型腔,型腔內有一定數量的中間拋光薄片作為反射屏,它能很好的反射光線,以防止熱量輻射傳遞;3)有粉末狀的物質或者輕質纖維的型腔,這類粉末或者輕質纖維有良好的隔熱保溫特性。無論什么情況,任何一種隔熱保溫方法,包括三種熱量:

    Q=Q殼-Q氣+Q輻

    Q殼-隔熱保溫材料殼體傳遞的熱量。隔熱保溫材料殼體傳遞熱量(Q殼)取決于殼體的結構。

    Q氣-隔熱保溫材料之間填充的氣體傳導熱量和氣體對流所傳遞的熱量。

    Q輻-輻射傳熱。如果要高真空隔熱保溫,那么在不同溫度(To和Tx)兩個表面所建立隔熱保溫殼體內,需建立10-1Pa左右的真空,這幾乎完全排除了氣體傳遞熱量(Q氣)。

    氣體傳遞的熱量取決于殼體內氣體分子的特性它服從努森準則。

    Kn=1/d>1

    式中1-分子平均自由度

    d-系統的特性尺寸

    當真空隔熱保溫材料殼體內真空度達到10-1Pa,氣體分子數量大大減少,分子的自由行程可以達幾百厘米,即分子的自由度很大,即Kn遠大于1,分子相互碰撞幾率很小,因此分子熱傳遞大大減弱。但當殼體內真空度達到10-2~10-3Pa,假如真空隔熱保溫殼體內填充有粉末狀片狀填料,系統的隔熱保溫能力可增加幾倍,這是因為在真空隔熱保溫殼體內填充粉末片狀填料可以減少(或消除)輻射熱傳遞。

    2.2紅外輻射的基本原理

    從熱輻射觀點來看,外層空間可以近似看成一個絕對溫度為零的黑體,如果在大氣外設一個絕對溫度為T=300K的黑體,則它將被逐漸地冷卻下來。根據斯蒂分-波爾茲曼定律,可以近似算出它輻射到外層空間的單位面積能量W:

    W=aT-4=5.7×10-8(300)-4=450W/m2

    這個數值是非常高的致冷量。但如果把此黑體放到地面上,則其致冷效果將急劇下降,這主要是由于大氣阻擋部分紅外輻射到達外層空間。在波長為8~13.5μm的區域內,水蒸汽和二氧化碳的吸收能力也較弱,這樣就使大氣層對8~13.5μm的紅外輻射有很高的透過能力。在紅外氣象學中,稱這個透過率很高的波段為“紅外窗口”。通過這個“窗口”,地面上的輻射體可以直接輻射到外層空間。輻射體的輻射效果直接與它的輻射性能有關。假設輻射體表面涂有一層特殊的光譜選擇性涂層,其特性為:在8~13.5μm波段內,此涂層的紅外輻射性能等同于黑體,而在此“窗口”外它是理想的反射體,即不發射(因此也不吸收)輻射能。這種理想的光譜選擇涂層的輻射特性可用圖1來表示。

圖1

圖1

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    陶瓷絕熱涂料做為保冷使用時,我們為它設計的面漆輻射性能就類似于理想的選擇性輻射體。圖2是陶瓷絕熱涂料面漆的反射率和吸收率隨波長的變化關系。曲線表明,在8~13.5μm波段內,這種材料具有很強的吸收能力(根據基爾霍夫定律,其輻射能力也很強),但在其它波段,它卻有很高的反射能力,因此,它有著類似于理想黑體的輻射特性。

圖2

圖2

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    根據紅外涂料光吸收輻射原理,吸收系數A由涂料成分決定。A值增加,則涂層的光譜發射率β、γ也增大。當調整涂料組成時,若它的吸收系數變大,將使涂料發射率β、γ增加。所以要使涂料在8~13.5μm波段內有高的發射率,必須加入此波段范圍具有高峰吸收值的物質,增強輻射體表面在此范圍的輻射能力。另外,降低散射系數S數值(將涂料中的發射基料研磨成微小顆粒),也有利于提高涂料的發射率。

    3陶瓷絕熱防腐涂料的化銹穩銹機理

    陶瓷絕熱防腐涂料,既有轉化作用,又具有穩銹作用和防銹作用的多效性能,又能代替底漆,施工方便。陶瓷助劑通過漆膜的水解作用,形成六價鉻鋁鈦為主的陰離子絡合物,與鐵銹形成難溶的“雜多酸”絡合物,使金屬表面鈍化。此外,顏料在水解過程中產生的鋅離子對金屬也有陰極阻蝕作用。因為氧化鋅水解時生成的氫氧化鋅能與鐵銹酸作用生成穩定的類似Fe3O4的結構。

圖1

    4陶瓷絕熱防腐涂料的市場展望

    具有優良性能的陶瓷絕熱涂料無論在工業、電力、軍事、民用還是在宇航領域有著迫切的市場。僅以民用方面為例,隨著陶瓷絕熱材料生產技術的不斷成熟與生產規模的不斷擴大、其生產成本將有較大的下降。若該材料應用于家庭及單位的太陽能熱水器的儲水箱、管道和集熱器,將比現有的太陽能熱水器的集熱效率提高近一倍,而熱損失下降到現有水平的30%以下。太陽能熱水器性能的提高對我國陽光充足、氣候寒冷的西北地區尤為重要,可以大幅度降低對植物性燃料的依賴,對生態環境的保護具有重要意義。

    我單位(大連理工大學)研制生產的陶瓷絕熱防腐涂料ZW-100-A已在大化集團公司部分設備上進行了成功的應用與對比試驗,如聯堿淡AI桶配合大修保溫防腐工程(1~1.5mm涂層),重堿煅燒出堿埋刮板運輸機(160~180℃)2~2.5mm涂層與不涂對比試驗,蒸汽煅燒爐爐頭通汽端、蒸汽管道、疏水管道等處局部對比試驗。通過多處應用與試驗充分驗證了該材料的優異絕熱防腐性能及明顯的經濟效益,用戶反映良好。目前大化集團設計研究院根據該材料的實際應用效果,已將該材料應用于工程設計———氯化銨干燥系統設備及管道、蒸汽鍋爐系統及蒸汽管道的絕熱防腐中。

    我國目前擁有家庭太陽能熱水器2000萬臺以上,如果每臺熱水器使用0.1m3的陶瓷絕熱涂料,則全國將有200萬立方米的潛在市場。我國目前絕熱材料的總產量約為18000萬m3/a,以建筑保溫為第一大用戶,其次為電力(熱力)、石化、化工、冶金、建材等工業領域。如果10年以后有1/10的場合采用陶瓷絕熱涂料,則有1800萬m3/a的市場。考慮到采用陶瓷絕熱涂料后總用量的減少,也將有600萬m3/a的市場。

    5結論

    傳統絕熱工程包括絕熱對象的防腐處理及防腐材料的生產、絕熱材料的施工與生產、外防水、防護材料的生產與施工等眾多的生產施工過程。而陶瓷絕熱涂料是隨著世界整體技術的發展而形成的新觀念、新技術、新產品,其將傳統絕熱工程的三步曲合并為一,隨著該技術的不斷成熟和生產成本的不斷下降將帶來絕熱材料與絕熱領域的一場革命。我國絕熱材料生產企業只有不斷創新、開發與掌握世界最先進的絕熱材料生產技術與理論,才能在未來的全球化經濟競爭中取得主動權。

 
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