气凝胶国家标准编制说明(征求意见稿201606)doc.doc
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1、国家标准纳米孔气凝胶复合绝热制品编制说明标准编制组2016年6月国家标准纳米孔气凝胶复合绝热制品编制说明一、概述采用一定的干燥方法,将凝胶中的液体被气体所取代,同时凝胶的网络结构基本保留不变,这样所得的材料被称为气凝胶。气凝胶是一种具有纳米多孔结构的新型材料,1931年由美国Kistler.S.发明,因轻若薄雾,泛蓝,又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”,创下15项吉尼斯纪录,在热学、光学、电学、力学、声学等领域显示许多奇特的性能,被称为改变世界的神奇材料,列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一,是具有巨大应用价值的军民两用材料。气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结
2、构,拥有极高孔隙率、极低的密度、高比表面积,其体积密度可低至3 kg/m(空气的密度为1.29 kg/m)。气凝胶因成分不同,主要有二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶等几种类型。其中二氧化硅气凝胶的绝热性能最为引人注目,技术也最为成熟,国内外气凝胶的产业化发展大多围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开,本标准的制定也主要针对二氧化硅基气凝胶。二氧化硅气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料,其孔隙率高达80-99.8%,孔洞的典型尺寸为1-100 nm,比表面积为200-1000 /g,而密度可低达3 kg/m,室温导热系数可低达0.012 W/(mk)。热量的传递
3、有三种途径:热传导、辐射和对流。气凝胶对这三种热传递均有很好的隔绝作用。气凝胶密度非常低,由于其独特的网络结构,使热传导的“路径”被无限拉伸及延长,热传导趋近于零;对于辐射换热,气凝胶的网络状结构很好的阻隔了辐射导热,通过遮光剂的添加,在高温状态下可以达到更好的效果;对于对流传热,气凝胶的网络结构将空气分隔为无数小孔隙,这些孔隙的直径为1-100 nm,而空气的自由程约70nm,所以这些空隙极大地限制了空气的对流,甚至在某些程度上可以约束空气分子的自由碰撞,所以气凝胶突破了传统绝热材料的限制,其导热系数可以比静止空气(0.023W/(mk)更低。但纯气凝胶自身强度不高、较脆易碎,不便于大规模生
4、产,不适用于工业、建筑保温。而通过在溶胶凝胶过程中使用纤维类增强材料而制成的纳米孔气凝胶复合绝热制品(在下文中简称气凝胶制品),其力学性能有了明显的提升,完全可以满足生产、使用的要求,且其导热系数虽然比纯气凝胶有所增加但非常有限,仍然是性能极佳的绝热材料,其室温导热系数可低至0.014W/(mk),一般大批量生产的产品室温导热系数也在0.0180.020W/(mk)。与常温导热系数相比,气凝胶制品的高温导热性能具有更大的优势。在低温及室温情况下,部分有机发泡材料的导热系数也可低至0.022W/(mk)左右,与气凝胶制品相差不多,但有机材料无法在高温状态(200)下使用,且耐久性差;一般在高温情
5、况下使用的玻璃棉、岩棉、硅酸铝棉等绝热材料常温下导热系数一般在0.0320.042W/(mk),平均温度300时,导热系数一般在0.080 W/(mk)左右,平均温度500时,导热系数一般在0.130 W/(mk)左右。而气凝胶制品在平均温度300时,导热系数一般在0.036 W/(mk)左右,平均温度500时,导热系数一般在0.060 W/(mk)左右,优势十分明显。下图为气凝胶与其它常用绝热材料导热系数对比情况:气凝胶与其它绝热材料导热系数对比图从图中可以看出,在一定温度范围内,温度越高气凝胶制品的优势就越明显。这让气凝胶在窑炉、蒸汽管道保温等高温绝热场合非常适用,尤其是对于高温管道保温,
6、气凝胶制品导热系数低,使保温层厚度减小,一方面可以减少散热面积,使整体保温效果更好,可以有效加长输送距离,另一方面可以减少施工体积及外保护层面积,减少工程成本;气凝胶还有一个特点:耐久性好,经过多年的使用还可保持优异的绝热性能。这些优势让气凝胶虽然价格较高,但极具竞争力。目前气凝胶制品在全世界范围内的龙头企业是美国的ASPEN公司,该公司早在90年代已经开始气凝胶制品的研发和生产,不论其产品质量还是产品种类均处于领先水平,其产能在2014年达到2.5万m。国内一些大学在90年代也开始了气凝胶的相关研究工作,并取得了许多的进展。国内部分企业在2003年后也开始了气凝胶制品的研发、试制工作。目前国
7、内已有多家气凝胶制品生产企业,国内产业已初具规模,保守估计全国年产能已超过了4万m3,且各企业均有扩大产能的计划,可以预见在未来一段时间,我国气凝胶制品产业将进入快速发展的通道。虽然气凝胶制品的性能非常优异,但在推广的过程中遇到很多困难:一是客户不了解、不信任,大家对什么是气凝胶一头雾水,一些客户甚至一些检测机构对产品的优异性能产生怀疑:导热系数能达到这么低?使用起来有没有什么问题?二是交付验收困难,没有标准的情况下,什么样的产品才是合格的?除了导热系数之外还有什么性能要求?用什么方法进行检测?这些不明确的问题都给生产方和客户造成不便,还有部分企业将其它产品冒充气凝胶进行销售,造成市场混乱;三
8、是推广没有依据,政府相关部门不便对没有标准的产品进行大力的推广。这些困难都指向了一件事:我们需要制定气凝胶制品的国家标准。二、工作简况鉴于以上情况,南京玻璃纤维研究设计院于2013年底向全国绝热材料标准化技术委员会提出了纳米孔气凝胶复合绝热制品国家标准计划,2013年11月,绝热标委会桂林年会上,全体委员投票通过该项国家标准建议。2014年,绝热标委会向国家标准化管理委员会申报该项国家标准建议。2014年12月12日,国标委发布综合201478号文“国家标准委关于下达产业园区废气综合利用原则和要求等177项国家标准制定计划的通知”,下达了国家标准制定计划纳米孔气凝胶复合绝热制品,计划号:201
9、41682-T-609,由南京玻璃纤维研究设计院负责起草,要求2016年完成标准制定工作。计划下达后,起草单位迅速组织具有丰富绝热材料相关知识与标准化经验的员工成立项目组,对我国气凝胶产业进行了调研并对国际上关于气凝胶制品的标准进行了查新,经过查询,目前在全世界范围内仅有ASTM C1728-13柔性气凝胶绝热材料规范一项相关标准,项目组对标准进行了翻译,对其中的性能和试验方法进行了研究。随后,南京玻纤院向全国的相关科研院所、大专院校及知名企业发出了通知,并于2015年3月25日在浙江绍兴召开了项目启动会。气凝胶行业多名知名教授、专家参加了会议。会上,同济大学的沈军教授做了学术报告,介绍了纳米
10、材料的特殊性质、结构特征、神奇性能以及发展方向,得到与会代表的热烈响应。纳诺科技有限公司、广东埃力生高新科技有限公司等国内企业在会上也做了交流报告,介绍了我国气凝胶绝热材料生产技术及应用领域发展的现状。标准项目负责人崔军代表标准编制组向大会介绍了标准计划申报过程及下达情况,说明了制定该标准的目的和意义,还向大会简要介绍了美国标准ASTM C1728-13柔性气凝胶绝热材料规范。在启动会后,项目组组开始成立工作组的工作。2015年7月27日,在南京组织召开了纳米孔气凝胶复合绝热制品国家标准制定项目工作组首次会议,工作组全体成员超过二十家科研院所、高校及生产企业代表参加了会议。标准项目负责人向大会
11、介绍了部分验证试验结果及分析报告,包括气凝胶产品在高温下的吸水性能变化及粉体脱落情况。随后,参会专家对标准草案进行了热烈的讨论并对标准大部分内容达成了共识。最后,会议下达了验证试验工作任务的通知,要求标准编制工作组各单位根据自己的能力提供样品以及进行验证试验。参会代表代表纷纷表示愿意全力支持标准的验证试验及各项工作,希望标准能够早日完成。2016年4月8日,在广东清远召开了第二次工作组会议,会上对标准草案、验证试验报告等文件进行了讨论,并对标准形成了统一意见。在第二次工作组会议后,标准编制组根据会议精神以及成员意见进行了部分验证试验的补充,并对标准进行了修改,最终形成了标准征求意见稿,并于20
12、16年6月6日至8月5日进行征求意见。三、标准的编制原则标准文本按照GB/T 1.1-2009给出的规则进行编制。对于能够采用ASTM标准中的指标和试验方法,我们将积极采用。美国作为气凝胶制品的起源地,其制定的ASTM C1728-13能够较好的反应气凝胶制品的特性,标准指标也能代表目前全世界气凝胶制品产业的先进水平,因此本次标准制定有相当部分的指标采用了该标准。对不能采用或不符合我国产业实际情况的指标,我们要根据对国内产品的验证试验结果,对指标进行调整,兼顾指标的合理性和先进性,确保国内主流产品能够满足指标要求,并且指标要有一定的先进性,起到引导产业发展的作用。对于某些我国标准体系特别要求的
13、性能,例如燃烧性能指标,按照我国标准体系的要求以及验证试验的结果进行确定。对于一些生产企业和客户都非常关注的气凝胶制品特有的性能,国外标准又没有涉及的,例如压缩回弹率和掉粉率等性能,我们制定附录对试验方法进行规定,并根据验证试验结果提出较为合理的指标要求。四、本标准与国外同类标准的对比目前国外标准仅有ASTM C1728-13柔性气凝胶绝热材料规范,本标准性能与其对比见下表:内容本标准要求ASTM C1728-13要求备注定义通过溶胶凝胶法,将增强材料与溶胶复合,然后用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相形成的纳米级多孔复合制品,简称气凝胶制品。柔性气凝胶绝热材料:一种柔性绝热材料,包含气凝胶
14、、纤维介质或增强材料或其组合。分类产品按产品形式分为:毡、板、异形制品。产品按分类温度分为以下四种: 型,使用温度不超过200;型,使用温度不超过450;型,使用温度不超过650;型,由厂家标称使用温度,高于650。产品按导热系数分为A类,B类。Type I 257F (125C)Type II 390F (200C)Type III 1200 F (649C)产品按导热系数分为A类,B类。我国标准包含气凝胶板,分类少了125 C一档,多了450C和高于650C两档。导热系数平均温度25A类0.021 B类0.023 S类0.017平均温度300A类0.036 B类0.042平均温度500A类
15、0.072 B类0.084型 A类平均温度24A类0.021平均温度93A类0.023平均温度204A类0.029平均温度316A类0.036平均温度371A类0.043燃烧性能GB 8624表面燃烧特性根据我国要求加热永久线变化型、型、型应不小于-2.0%,型应不小于-5.0%线收缩2%振动质量损失率1.0不涉及尺寸长度不允许负偏差宽度 15 mm宽度 15.2 mm长度 51mm厚度厚度测试使用350Pa压强6+2.00610+2.0-1.010+3.0-1.0厚度测试使用98Pa压强(5 1)(10 2.5)密度毡20%,板15%30240kg/m3分档板的直角偏离度、平整度、压缩强度直
16、角偏离度不大于5mm/m。平整度不大于3mm。压缩强度不小于200kPa不涉及最高使用温度使用温度大于200时,应进行高于工况温度至少100的最高使用温度的评估。要求:试验中任何时刻试样内部温度不应超过热面温度90,且试验后,应无熔融、烧结、降解等现象,除颜色外外观应无显著变化,整体厚度变化应不大于5.0%。按分类温度进行最高使用温度评估。要求:不得有翘曲、火焰,应无熔融、纤维降解。温升不超过93吸湿性质量吸湿率应不大于5.0%5%吸水性体积吸水率应不大于1.0%5%憎水率憎水率应不小于98.0%不涉及柔性不发生开裂、分层不发生开裂、分层刚性下垂扰度13mm不涉及毡的压缩强度有承重要求时,毡类
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