真空絕熱板(VIPs)表面隔膜的放氣性能與放氣機理
表面隔膜種類
表面隔膜在真空絕熱板(VIPs) 真空度保持方面起著絕對的支配作用，在真空絕熱板(VIPs) 壽命期內(nèi)有效的阻止外部環(huán)境中O2、N2、H2O、CO2 及其它氣體由于濃度差和壓力差向板內(nèi)部真空空間的滲透。目前主要有金屬膜(不銹鋼)、鋁- 聚酯復(fù)合膜(AluminiumFoil，簡稱AF) 及多層鍍鋁聚酯膜(Multilayer AlCoated Foil，簡稱MF)。抗氣體滲透能力較強的當(dāng)屬金屬，能夠確保板內(nèi)部真空環(huán)境，采用0.6 mm~1 mm厚的不銹鋼材料作為表面隔膜、氣相SiO2 作為芯材，板中心導(dǎo)熱系數(shù)可達5 mW/(mK)[7]，但由于純金屬層勢必增加整個表面隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)，同時又加大了整個真空絕熱板(VIPs) 的熱橋效應(yīng)，增加了其有效導(dǎo)熱系數(shù)。
在建筑維護結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用是真空絕熱板(VIPs) 的一個主要應(yīng)用場合，為了降低真空絕熱板(VIPs) 的熱橋效應(yīng)，同時在建筑壽命期內(nèi)保持板內(nèi)真空度，主要采用AF 及MF 類型表面隔膜。AF 中采用PET 為外保護層，PE 為熱封層，中間夾10 μm 鋁層作為阻隔層。MF 中外保護層和內(nèi)熱封層不變，中間夾多層鍍鋁PET 層作為阻隔層，鍍鋁層厚度總計在40 nm~100 nm 之間。示意圖見圖2。
微米級別厚度鋁層的存在增大了表面隔膜的抗氣體滲透性能，保證了50 年左右的使用壽命，同時降低了熱橋效應(yīng)。對于使用壽命要求比較短的冷凍冷藏裝置，多使用納米級別鍍鋁層厚度的MF 作為表面隔膜。為了在熱水器的儲水箱中應(yīng)用真空絕熱板(VIPs)，日本以鍍鋁EVOH 為阻氣層開發(fā)了可承受100℃高溫的表面隔膜，此隔膜也可應(yīng)用于冷凍冷藏裝置[8]。
不銹鋼表面隔膜的真空放氣性能與放氣機理
不銹鋼由于其具備標(biāo)準(zhǔn)的焊接技術(shù)、屬于非磁性物質(zhì)、具有化學(xué)惰性而且價格比較便宜，被廣泛用于真空殼體。大氣環(huán)境中的氣體會經(jīng)過氣體分子吸附- 離解- 擴散等過程溶解在不銹鋼材料內(nèi)部[10]。當(dāng)將此溶解了氣體的不銹鋼表面隔膜用于真空絕熱板(VIPs) 時，由于真空絕熱板(VIPs) 內(nèi)部的真空環(huán)境，內(nèi)部溶解的氣體在壓力差和濃度差的作用下將逐漸在真空內(nèi)側(cè)解溶，在表面離解的原子重新結(jié)合為分子態(tài)脫附釋出。當(dāng)然還有一部分氣體分子直接吸附于不銹鋼表面，在真空下脫附釋出。
不銹鋼表面隔膜真空放氣的氣體來源主要有：氣體表面脫附;外部大氣環(huán)境中氣體的滲透和表面隔膜內(nèi)部氣體的擴散滲透。在不銹鋼材料的放氣成分分析中可知氫氣是最主要的殘余氣體成分，在配以四級質(zhì)譜儀的放氣實驗中也可檢測到H2O、CO、CO2 及甲烷等成分。但研究表明[11,12]，除H2 外，CO、CO2 及甲烷成分是由于測量規(guī)管及四級質(zhì)譜儀引起的，少量的H2O 是體內(nèi)H 原子與表面的氧原子相互作用生成的，所以潔凈的不銹鋼材料放氣成分基本全部是H2，國內(nèi)關(guān)于極高真空(XHV) 下316L 不銹鋼的放氣研究也證實了這一點[13 ]。
用作表面隔膜的不銹鋼材料厚度小，一般在0.6 mm~1 mm，這比一般的不銹鋼真空腔體要薄得多。Park [14]通過實驗測定了厚度為1.6 mm 的306L 和314L 兩種不銹鋼薄膜的放氣速率，結(jié)果表明在空氣中進行96 h 400℃的烘烤處理，放氣速率為2.5×10- 12 PaLs- 1cm- 2，而20 mm 厚的同種材料經(jīng)過同樣熱處理的放氣速率為2×10- 10 PaLs- 1cm- 2，放氣速率大大降低，同時發(fā)現(xiàn)在同樣溫度下進行大氣環(huán)境烘烤比真空在線烘烤放氣速率低。VincentNemani[15]對厚度為0.15 mm 的304 不銹鋼經(jīng)過24 h260℃的烘烤后進行了放氣速率測試，結(jié)果為3×10- 13 PaLs- 1cm- 2。經(jīng)過熱處理后不銹鋼薄膜的放氣速率比厚殼體的放氣速率低, 可以用無因次時間尺度數(shù)Fo 來解釋，其表達式為：
Fo = 4Dtd- 2 (2)
其中D 為溫度T 下的擴散常數(shù)，t 為熱處理時間，d 為材料厚度，厚度越小Fo 數(shù)越大，熱處理時的擴散系數(shù)越大，最后的放氣速率越低。在空氣中進行烘烤比真空在線烘烤放氣速率低是由于前者處理過程中在不銹鋼表面形成了氧化層，阻止了部分H2 分子的擴散。
總體上真空絕熱板(VIPs) 中不銹鋼表面隔膜的放氣速率很低，引起板內(nèi)的真空負(fù)荷很小。在制作時進行空氣環(huán)境中的高溫烘烤處理，或采用鍍膜技術(shù)比如鍍TiN 介電膜、金膜、鋁膜等阻止氣體擴散滲透。另外盡量降低薄膜厚度以增大熱處理時的Fo數(shù)，從而降低不銹鋼表面隔膜的最終放氣速率。
AF、MF 及耐高溫表面隔膜的真空放氣性能及放氣機理
以AF、MF 及耐高溫表面隔膜制作的真空絕熱板(VIPs)，處于真空環(huán)境中的表面隔膜部分均是PE 材料。
高密度聚乙烯(HDPE)作為熱封層，其熔點約為128℃，最高可承受的溫度約為104℃。Dinh[16]在常溫環(huán)境、本底壓強為10- 6 Pa 對0.7 mm 厚的HDPE 進行了放氣性能測試，采用質(zhì)譜分析進行氣體成分檢測。結(jié)果表明在抽真空30 min 內(nèi)，H2、O2、N2 及CO2 可以徹底去除， 但要想徹底去除H2O，需抽真空24 h 以上。這主要是由于聚合物中存在的氫鍵、含氧點缺陷基團(如- CH2- CO- CH2-、- CH2- COH- CH2-、- CH2- O- CH2-) 構(gòu)成的非極性H2O 不像其他極性氣體容易擴散出來。HDPE 中H2O 和CnHx(n 最高值為9，x=2~9)是最主要的放氣成分。在常溫下，12 年時間內(nèi)由于CnHx 的放氣導(dǎo)致HDPE 重量損失為0.21±0.002 wt%。如果在368 K 下烘烤16 h，可以去除大部分的CnHx 放氣負(fù)荷[17]。n 較低的碳?xì)浠衔镏饕獊碜杂诰酆衔镏械娜蹑I連接，可能是由于聚合反應(yīng)中氧化作用造成的。
在高溫情況下，一些有機氣體如苯乙烯、甲苯等將從HDPE 中釋放出來。研究表明[9]在100℃下保持30 min，此兩種氣體的放氣量為1.12 μg/g。所以在高溫環(huán)境下的真空絕熱板(VIPs) 內(nèi)部放置有機氣體吸氣劑如沸石、CaO 等是必要的。
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真空絕熱板部件真空出氣性能及機理分析
