铜墙铁壁也怕冷，保温材料知多少

在化工生产中，对高温管道进行保温设计的主要目的是减少管道及其组成件在输送过程中的热量损失，以降低能耗减少输送过程中介质温升，以利于系统的良好运行改善劳动条件，防止操作人员烫伤。

1 保温材料的保温原理

保温材料的保温原理主要是利用处于静止状态的空气及大部分气体如二氧化碳、氮气等，其导热率都很低，采用固体材料通过特殊的结构来限制空气的对流性能和透红外线性能，而达到保温的目的。这一原理就决定了保温材料通常具有质轻、疏松、多孔的特点。如图 1所示。

图 1 保温材料

2 保温材料的优势

保温材料的优点主要有以下几点：

1 ）经济效益：使用保温材料不仅可以大量节约能源花费，而且减小了机械设备（空调、暖气）的规模，节约了设备费用。

2 ）环境效益：保温材料不仅能够节约能源，而且由于减少机械设备的使用，从而减少了设备排放的污染气体量。

3 ）舒适度：建筑物的保温可以减小室内温度的波动。尤其是在季节交替时，更可以保持室温的平稳。并且保温材料普遍具有隔音性，受外界噪音干扰减小。

4 ）保护建构筑物：剧烈的温度变化将破坏建筑构物的结构，以及设备及管道的寿命。使用保温材料可以保持温度平稳变化，延长建构筑物及设备的使用寿命，保持建构筑物结构的完整性。

5 ）安全性：使用和安装保温材料有助于隔热和阻燃，减少人员伤亡和财物损失。

3 保温材料的分类

3.1  复合硅酸盐保温材料

复合硅酸盐保温材料是一种固体基质联系的封闭微孔网状结构材料，主要采用火山灰玻璃、玄武石、白玉石、海泡石、膨润土、珍珠岩等矿物材料和多种轻质非金属材料，运用静电原理和湿法工艺复合制成的憎水性复合硅酸盐保温材料。具有可塑性强、导热系数低、容重轻、粘接性强、施工方便、不污染环境等特点，是新型优质保温绝热材料。复合硅酸盐保温材料在相对湿度 75%，环境温度28 ℃时的吸湿率为1.8%。其抗压强度大于 0.6MPa，抗折强度大于0.4MPa ，在600℃高温下抗拉强度大于 0.05MPa。如图2 所示，这种材料的粘接强度大，保温层在任何场合都不会因自身重量而脱落。

图 2 复合硅酸盐保温材料

其中 [Mg8(H2O) 4 〔Si6O15 〕2 (OH)4 ·8H2O]海泡石 保温涂料是最近一种新兴的保温材料，具有易吸附空气而使之处于相对稳定状态的链层结构，是一种很好的保温基料。其导热系数一般小于0.07W/(m ·K)（常温），适应温度范围为 (-40℃～800 ℃)，保温涂层薄、有整体性、而且无毒、无污染，具有防水、耐酸碱、不燃，施工方便等特性，施工方便可喷涂、涂抹、冷热施工等，而且不需包扎捆绑，尤其便于异型设备内 (如阀门、泵体) 的保温，粘接性好。干燥后呈网状结构，有弹性、不开裂、不粉化，可用于运转振动的设备保温。

3.2  硬质聚氨酯泡沫保温材料

硬质聚氨酯泡沫 (PURF)导热系数仅为0.020W/(m ·K)～ 0.023W/(m·K) ，因此将该材料应用于建筑物的屋顶、墙体、地面，作为节能保温材料，其节能效果非常显著。图3 所示为硬质聚氨酯泡沫。

图 3 硬质聚氨酯泡沫

发达国家 (如欧美) 的PURF有 60%作为节能材料用在建筑上，而我国的PURF  塑料60%以上主要用于冰箱、冰柜的隔热保温。近几年该材料在建筑上开始使用，其导热系数随着使用温度的变化而改变，一般来说使用温度为 -100℃～100 ℃。

3.3  酚醛树脂泡沫保温材料

酚醛树脂泡沫具有热导率低、力学性能好、尺寸稳定性优、吸水率低、耐热性好、电绝缘性优良、难燃等优点，尤其适合于某些特殊场合作隔热保温材料或其他功能性材料。在阻燃、隔热方面，酚醛树脂可以长期在 130℃下工作，瞬时工作温度可达200 ℃～300℃，这与聚苯乙烯发泡材料的最高使用温度 70℃～80 ℃相比，具有极大的优越性。同时，在耐热方面也优于聚氨酯发泡材料。酚醛树脂与其他材料共混改性，可以制备出性能极其优良的复合保温材料。

图 4 酚醛树脂泡沫保温材料

3.4  膨胀珍珠岩及制品

膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料，配合适量胶结剂，如水玻璃、水泥、磷酸盐等，经搅拌、成型、干燥、焙烧 (一般为650 ℃)或养护而成的具有一定形状的产品。膨胀珍珠岩由于其价格和施工性能上所具有的优势，在建筑和工业保温材料中占有较大的比重，约为保温材料的 44%。

图 5 膨胀珍珠岩及制品

3.5  聚苯乙烯塑料泡沫保温材料

聚苯乙烯泡沫塑料 (EPS)是由聚苯乙烯(1.5% ～2%)和空气 (98%～98.5%) 、戊烷作为推进气，经发泡制成。其具有密度范围宽、价格低、保温隔热性优良、吸水性小、水蒸气渗透性低、吸收冲击性好等优点。聚苯乙烯泡沫板及其复合材料由于价格低廉、绝热性能好，导热系数小于0.041W/(m ·K)，而成为外墙绝热及饰面系统的首选绝热材料。

图 6 聚苯乙烯塑料泡沫保温材料

3.6  纳米孔硅保温材料

随着纳米技术的不断发展，纳米材料越来越受到人们的青睐。纳米孔硅保温材料就是纳米技术在保温材料领域新的应用。组成材料内的绝大部分气孔尺寸宜小于 50nm。根据分子运动及碰撞理论，气体的热量传递主要是通过高温侧的较高速度的分子与低温侧的较低速度的分子相互碰撞传递能量。由于空气中的主要成分氮气和氧气的自由程度均在 70nm左右，纳米孔硅质绝热材料中的二氧化硅微粒构成的微孔尺寸小于这一临界尺寸时，材料内部就消除了对流，从本质上切断了气体分子的热传导，从而可获得比无对流空气更低的导热系数。

图 7 纳米孔硅保温材料

4 保温材料的发展

在过去的十几年里，保温材料的研究主要是对现有保温材料进行完善。今后研究的方向应主要表现在以下几点：

1 ）有机保温材料（例如聚苯乙烯泡沫保温材料、聚氨酯泡沫等）研究重点应放在找出更合适的发泡剂、改进材料的阻燃性能和降低材料的生产成本。

2 ）无机保温材料（例如复合硅酸盐保温材料等）研究重点应放在减少生产过程中能源的消耗、限制灰尘和纤维的排放、减少粘结剂的用量。

3 ）提高材料的憎水性。

4 ）除此以外，发展新型的保温材料（例如：纳米孔硅保温材料）也是一个研究的主要方向。