真空絕熱板(VIPs)表面隔膜的放氣性能與放氣機(jī)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(duì)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(jiǎn)稱AF) 及多層鍍鋁聚酯膜(Multilayer AlCoated Foil，簡(jiǎn)稱MF)。抗氣體滲透能力較強(qiáng)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(dá)5 mW/(mK)[7]，但由于純金屬層勢(shì)必增加整個(gè)表面隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)又加大了整個(gè)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(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用是真空絕熱板(VIPs) 的一個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)合，為了降低真空絕熱板(VIPs) 的熱橋效應(yīng)，同時(shí)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(hù)層，PE 為熱封層，中間夾10 μm 鋁層作為阻隔層。MF 中外保護(hù)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(jì)在40 nm~100 nm 之間。示意圖見(jiàn)圖2。
微米級(jí)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(shí)降低了熱橋效應(yīng)。對(duì)于使用壽命要求比較短的冷凍冷藏裝置，多使用納米級(jí)別鍍鋁層厚度的MF 作為表面隔膜。為了在熱水器的儲(chǔ)水箱中應(yīng)用真空絕熱板(VIPs)，日本以鍍鋁EVOH 為阻氣層開(kāi)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(jī)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(jià)格比較便宜，被廣泛用于真空殼體。大氣環(huán)境中的氣體會(huì)經(jīng)過(guò)氣體分子吸附- 離解- 擴(kuò)散等過(guò)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(shí)，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(lái)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(kuò)散滲透。在不銹鋼材料的放氣成分分析中可知?dú)錃馐亲钪饕臍堄鄽怏w成分，在配以四級(jí)質(zhì)譜儀的放氣實(shí)驗(yàn)中也可檢測(cè)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(cè)量規(guī)管及四級(jí)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(guó)內(nèi)關(guān)于極高真空(XHV) 下316L 不銹鋼的放氣研究也證實(shí)了這一點(diǎn)[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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jìn)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(guò)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(shí)發(fā)現(xiàn)在同樣溫度下進(jìn)行大氣環(huán)境烘烤比真空在線烘烤放氣速率低。VincentNemani[15]對(duì)厚度為0.15 mm 的304 不銹鋼經(jīng)過(guò)24 h260℃的烘烤后進(jìn)行了放氣速率測(cè)試，結(jié)果為3×10- 13 PaLs- 1cm- 2。經(jīng)過(guò)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(wú)因次時(shí)間尺度數(shù)Fo 來(lái)解釋，其表達(dá)式為：
Fo = 4Dtd- 2 (2)
其中D 為溫度T 下的擴(kuò)散常數(shù)，t 為熱處理時(shí)間，d 為材料厚度，厚度越小Fo 數(shù)越大，熱處理時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)越大，最后的放氣速率越低。在空氣中進(jìn)行烘烤比真空在線烘烤放氣速率低是由于前者處理過(guò)程中在不銹鋼表面形成了氧化層，阻止了部分H2 分子的擴(kuò)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(shí)進(jìn)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(kuò)散滲透。另外盡量降低薄膜厚度以增大熱處理時(shí)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(jī)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(diǎn)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(qiáng)為10- 6 Pa 對(duì)0.7 mm 厚的HDPE 進(jìn)行了放氣性能測(cè)試，采用質(zhì)譜分析進(jìn)行氣體成分檢測(cè)。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(diǎn)缺陷基團(tuán)(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(kuò)散出來(lái)。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(shí)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?lái)自于聚合物中的弱鍵連接，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(jī)氣體如苯乙烯、甲苯等將從HDPE 中釋放出來(lái)。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(jī)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(jī)理分析
