先进保温材料之探讨

摘要：先进保温材料(Advanced Insulation Materials)在全世界各先进国家如美、日、德、法等国之研究单位莫不卯足劲地全力发展中，因为它在可预见的未来将影响着每个人的生活。尤其是近来为了CFC类化合物对于地球臭氧层的破坏和温室效应的威胁，如何发展CFC的替代技术已成为最迫切的问题。因此，新型保温技术正给传统之CFC-11发泡与暂时替代发泡HCFC类发泡技术带来真正解决问题的曙光。其中新一代的新型真空保温片的特点为轻薄短小、可节省大量能源、无污染、可回收、可大量生产。未来若配合以水发泡的硬质PU泡绵，将可广泛地被应用在各冷冻空调设备，如冰箱、冷藏车、展示柜、冷冻车、货柜、储冰槽等，而进一步地降低电能消耗与设备成本，并符合未来完全禁用CFC和HCFC之革命性的保温技术。本文将简述工研院能资所过去一年来在先进保温材料方面的研究近况及此种材料米来的可能发展方向。

一、前言

先进保温材料早先应用于太空、军事等方面的高科技产品，它的特征是超高的热阻、更薄的厚度、更轻的重量、更好的结构强度等优点。所谓超高的热阻和更薄的厚度表示材料拥有非常低的热传导系数。如图1所示为一般材料的热传导系数频谱图。图上靠右边者如热管的等效热传导系数λ＞10^2W/m℃而作为热交换用途，又因为是热的良好传输体故又称作「热的超导体」；而中间部分的木头、空气等都是常用的隔热保温材料。商用的隔热保温材料早期是以纤维类为主，如玻璃纤维、保温绵等，在成本高约二～五倍的发泡材料问世以后，由于CFC发泡材料的热传导系数仅为原来纤维保温材料的一半且重量更轻，故在冷冻空调设备隔热保温的应用，如电冰箱、冷冻冷藏库板、展示柜、库板等的隔热保温功能取代了旧有的纤维类隔热材料，而纤维类材料的隔热用途则缩小至在高温或对隔热性能和重量限制的要求不是严苛之处如高温炉、屋顶隔热建材等的应用。

近年来由于氟氯碳化物(简称，CFC)对于环境大气中的臭氧层造成无可挽救的破坏，导致在蒙特娄公约中订定未来在1996年前将全面禁用CFC类化合物。一些先进国家因而皆加速开发新的替代品，以便在2030年前能达到完全禁用HCFC的目的。例如，某制造商改用聚苯乙烯PS泡绵以替代CFC发泡的硬质PU泡绵后，却发现其隔热效果减少了28％。为增加PS的厚度以达到相同的保温特性，会使得冷冻设备内部的使用空间相对减少。当然也可以考虑使用其它非CFC类的发泡技术，例如水发泡和HCFC-141b发泡等，但是其缺点是隔热效果将减少约16％。如果使用相同厚度的水发泡泡绵，则将增加冷冻空调系统的能源消耗，即增加营运成本。最近各国许多研究机构正进行有关新型保温材料的开发，以期能够减少目前使用CFC发泡材料对环境所造成的冲击。为了因应氟氯碳化物的替代技术在保温及冷冻空调系统的需求上，导致它成为冷冻空调设备目前最急迫的问题。

由于使用CFC类化合物如CFC-11作为发泡剂的发泡材料遭到限用，材料科技的进步，超微粒技术的兴起与真空制造加工技术的成熟，一些新型的保温材料如气凝胶(Aerogel)、超微粒(Aerosil,Silica Powder)、不含CFC之完全水发泡技术、超微细气泡泡绵(Micro-Cellular Foamer)及以上述为素材的真空保温材(Vacuum Insulation Material)皆受到各先进国家(如美、日、德等国)研究单位的重视和政府的奖励研发(如日本)。因此先进的新型保温技术如真空保温片等已成为冷冻空调技术提升、改善能源利用效率、减少二氧化碳排放．符合环保、促进优良品质、提升产业竞争力等之关键技术，详如图二所示为真空保温材料技术图。例如，美国运输部门已着手进行有关冷冻货柜及运输冷冻车的新型隔热保温材料之开发，以期能够减少目前冷冻货柜及运输冷冻车使用CFC-l1发泡材料对环境所造成的冲击，并达到省能源和省空间的目的。日本去年十月SHARP公司才推出二型内容积为400和450公升并且使用真空微粒保温片与完全水发泡并用的超薄壁省空间、省能源之电冰箱，其冷冻库库壁的厚度只有原来以CFC-l1发泡之硬质胺基甲酸酯泡绵的一半(共28m/m)且隔热性能更好，而内部的使用容积也增加了30％以上，德国AEG公司的使用真空保温片之环保电冰箱内容积为275公升经测试可省电约25％左右，使用15年至少可节省1205kWh的电力。

先进的保温材料由于不使用氟氯碳化物作发泡剂且热阻相当高，目前美、日、德等国正卯足劲地研究开发中。先进的保温材料依压力的特性可以大致分成真空保温材和非真空保温材二大类。真空保温材料包括真空粉末保温材、真空发泡保温材、真空气凝胶保温材和密集式真空保温材，其中真空粉末保温材、真空发泡保温材和真空气凝胶保温材，其热传导系数&lamb da;约为0.007W/mK左右；密集式真空保温材(compact vacuum insulation，简称CVI)目前也正在发展中；而非真空保温材如充气保温片(gas-filled panels，简称CFPs)的特性为质轻，且热传导系数λ为0.009W/mk左右。目前冷冻空调设备隔热用的CFC发泡泡绵的热传导系数λ约为0.020W/mK左右，故新型保温材料的潜力是不容忽视的。虽然新型保温材料的成本可能会超过原有的发泡材料，根据电冰箱效率研究的测试发现当热阻R提高到8㎡k/W左右才可以达到最佳的冷冻循环效率，相对地可以大量地减少能源的消耗。但是目前电冰箱的热阻R皆远低于这个值，这说明了除了改善冷冻空调系统组件的效率外，如何改善隔热材料的热阻正是应该面对的问题。对于其它冷冻空调设备而言新型的保温材料应该也具有相同的优点，故高热阻的优点是加速发展新型保温材料的最主要诱因。先进保温技术的研究首先要考虑各项因素包括：结构、保温材料的热性质、重量、体积、使用寿命和制造成本等。因此在发展新型保温材料之同时，必须定出冷冻空调设备保温材料的相关热性质，结构强度和使用寿命等特性。这些分析包括冷冻空调设备的本体和附属设施。

最后，无论从环境保护，节省能源、资源回收、空间利用率等观点去了解，都可以得到一共同的结论，那就是先进保温材料将是继纤维隔热材被发泡保温材替代之后而广泛被大众使用的新材料。新一代的保温材料即将成熟，对于容积效率与省电化有特别要求的冷冻空调业者而言最为迫切需要。未来先进保温材料的发展、方向和政策，均有赖原料制造商、机械设备制造商、研发单位及使用者四者共同密切配合，相互支持，大力支持，才能有所成就。以下将介绍先进保温材料的理论背景和研究范围。

二、理论背景与研究范围

一般普通隔热材料的总热传导系数是由下列四项的总和：

λtatal=λg+λc+λs +λr(1)=qloss．t/(Th-Tc)(2)

其中λtatal=隔热材料的总热传导系数

λg=空气的热传导系数

λc=空气的对流热传系数

λs=隔热材料的固体热传导系数

λr=材料内部的辐射热传数

qloss=经过隔热材料的热漏失

t=隔热材料的厚度

ΔT=4Th-Tc=隔热材料两侧的温度差

然而，由于真空保温片的内部保持在真空的状态下，则其总热传导系数由四项的总和减少到只剩二项，故

λtotal=λs+λr(3)

即减少了隔热材料内部空气的热传导和对流热传，因而可以大大地减少热的传递而达到断热保温的效果和省能源的目的。如果和CFC发泡的隔热泡绵相比，真空保温片的热传导系数仅为原来CFC发泡之硬质PU泡绵的1/4左右，如图3所示。因此在相同的隔热性能下，使用真空保温片所需的厚度仅为硬质PU发泡泡绵的24％即可。因此，从所谓「确保有效利用空间」和「省能源以减少二氧化碳的产生量」的观点来说是非常有利的，也就是说超高热阻的新型保温片在因不增加厚度而损失使用空间的前提下达到省电、省能源、省重量之轻薄短小且符合环保的趋势。

2.2 新型保温材料之沿革与种类

目前新型保温材料依照压力特性可以分成二大类(A)非真空新型保温材，如充气式保温式(Gas-Filled Insulation Panel)，(B)真空保温材，如真空保温片(Vacuum Insulation Panel，简称VIP)。真空保温片依充填物的不同可以再区分为下列四种：(Ⅰ)超微粒真空保温片(Ultra fine Powders VIP，如二氧化硅微粒真空保温片(Silica VIP)、真珠岩微粒真空保温片(Perlite PowdersVIP)、中空微粒真空保温片(Hollow Micro-spheres VIP)等；(Ⅱ)气凝胶真空保温片(Aerogel VIP)，(Ⅲ)密集式真空隔热板(Compact Hard-Vauum Panel with Spacers)，如魔法瓶、焖烧锅等；(Ⅳ)开孔微气泡硬质胺基甲酸酯真空保温片，(Micro-Open Cellular Foamer VIP)以下将分别介绍各种先进新型保温材料的发展状况。

最常见且合乎经济的保温材料有玻璃纤维、岩棉和保丽龙等，经大量生产后平均每平方公尺的单位热阻(R；㎡K/W)成本约NT＄400元。这些大量生产的保温材在冰箱和冷冻货柜的应用上，已被塑料发泡泡绵所取代。这是因为塑料发泡绵的热阻较以上保温材高约2～3倍，同样地其价格也提高3～7倍左右。虽 然塑料发泡材的成本较高，但是目前仍然广泛地被应用在冰箱和冷冻货柜的保温材。这是因为提高热阻后，相对地可减少使用的厚度，因而扩大了内部空间的利用率和减少外部占用的体积。这可以从1970年至1976年间家用冰箱的保温材从玻璃纤维被塑料发泡所取代的事实中得到证实。即使塑料发泡材每单位热阻的成本至少提高三倍仍被接受，这完全是因为它的空间利用率可以提高之故；若现有家用冰箱从塑料发泡材改用真空保温片在相同热阻的条件下，其内部的空间利用率可提高20％～30％左右。由此可知，相同的发展趋势"玻璃纤维→塑料发泡→真空保温"也极可能会发生在其它冷冻空调设备断热保温用途之新型保温材料的应用上。

真空保温技术又称为「热的超绝缘体」是最近发展的先进技术之一，虽然会增加其制造成本，但是它能够大大地提高热阻和空间利用率。特别是新开发出的真空保温材之特色就是其超乎想象的保温效果和超薄的厚度就可以达到较其它保温材更好的效果。从大量生产和可任意成型的观点来看，非CFC发泡保温材料仍然会继续在市场上被使用，特别是那些对于空间利用率没有特别要求的产品。例如，屋顶的隔热目前仍然使用玻璃纤维和水发泡泡绵等。

真空微粒保温技术是最早的真保温技术，大部份的专利皆发表在1950年代。到现在美、日、德等国仍继续在发展，而最近利用真空微粒保温板制成的家用冰箱也已经上市了。(例如，日本SHARP公司和德国AEG公司)。真空微粒保温技术(Vacuum Powder insulation，简称，VPI)包括了无数超细微粒所构成，外部再由可抽真空的材料所包裹着。例如，德国一家厂商用珍珠岩微粒作填充料，另一家则使用硅胶粉末作填充料，外层包裹的材料有不锈钢薄片及塑料膜。由于无数个微粒间的点接触因而大大地降低了热的传导，至于气体的传导和对流则因真空而几近消失，剩下的辐射热也由于粉粒本身的不透明而大大地减少。在一大气压的环境下，这些超细微粒的热传导系数大约是0.02W/mK左右，当气压降低到1torr左右时，热传导系数可以降低到0.007至0.006W/mK左右。包裹微粒的塑料膜是可以用食品包装的多层塑料膜，但是塑料膜的使用寿命最好在20年以上。使用真空微粒保温技术的缺点为重量较大，其密度约192kg/m^3是硬质发泡泡绵的六倍左右，约水的密度的五分之一。当同时考虑热阻及重量时，真空微粒保温技术的性能指针约为0.04kg/㎡R(R=l㎡K/W)，比硬质PU发泡材大过一半，更详细的比较列在图4～图8。

真空气凝胶保温技术(Vacuum aerogel insulation，简称VAI)的发展是根据1930年代Kistler对于多孔硅胶的研究而来。它是一种轻质、多孔(孔隙度约90％至95％)的气凝胶(aerogel)。当这轻质气凝胶外部包裹可抽真空的隔离物，即成为真空气凝胶保温材。相关的研究集中在使用Mylar胶膜抽至轻度的真空程度。当然此种Mylar胶膜也可以包裹微粒粉末而制成真空微粒保温片。在大气环境下气凝胶的热传导系数0.02W/mK，当抽气至轻度真空时(76torr)热传导系数可提高至0.007W/mK。在上述情况下，大约一半的传热是热传导而另一半则是热辐射。如果用黑色的气凝胶，则热传导系数可以降低至0.0O5W/mK。气凝胶有很强的亲水性，故必须防止它接触到水份。即使在400℃至500℃高温，也呈现稳定的状态。它的密度约为96kg/m3左右，是塑料发泡的3倍。当同时考虑热阻与重量，其特性指标为0.03kg/㎡.R，比PU发泡保温材重约一半。气凝胶的单位面积成本约是玻璃纤维的6倍，CFC发泡绵的3倍。若考虑热阻，则较PU发泡材超过约40％。气凝胶内部的孔隙很小，因此若希望孔隙内的气压降低至76torr，则真空帮浦至少要抽至lOtorr以下。此外，气凝胶是透明且可透光并耐高温，故可应用在一些特殊用途上。目前新的有机凝胶制成的保温材料正在研究中，它的热阻可提高约二倍然而其成本却增加到2到4倍。如果新型有机凝胶保温材料能够如预期顺利的开发及优异的隔热特性，则可应用在冷冻货柜的运输、太阳能收集板和其它产品的保温材料上。

密集式真空保温技术(Compact Vacuum insulation，简称CVI)利用不锈钢薄片所做的双层片状且四边焊接，内部抽真空并放置玻璃或陶瓷球粒以防止内部因抽真空而凹陷。真空不锈钢保温薄片的厚度为2.5m/m左右，其热阻却可达2㎡K/W。目前已经有数种规格的真空不锈钢保温薄片正在做测试，例如，厚度3m/m的热阻为l㎡K/W(中央部位)，厚度8m/m的热阻为2㎡K/W。这种产品经氦气的测漏试验证实在大气中可使用200年以上，故可应用在需长久使用的地方如真空保温杯、真空焖烧锅、冷冻货柜和冷冻车的隔热板等用途。

充气保温技术(Gas-filled Panels，简称GFP)是一种新型质轻、充填低导热性气体的保温技术。它是利用双层可防气体渗透之多层塑料膜，四周加以密封处理，内部并充填非常低导热系数的气体如，氩气、氪充气保温技术(Gas-filled Panels，简称GFP)是一种新型质轻、充填低导热性气体的保温技术。它是利用双层可防气体渗透之多层塑料膜，四周加以密封处理，内部并充填非常低导热系数的气体如，氩气、氪气等。其内部也可以做成蜂巢状的小格以降低气体对流的可能。保温板的厚度为6至13m/m，因为它的质量特别轻故不需要外加任何支撑。密度约为4kg/m3较玻璃纤维的密度8～24kg/m3为轻。充填氩气之充气保温袋的热传导系数为0.017W/mK，而充填氪气之充气保温袋的热传导系数为0.009W/mK。充气保温袋的强度是非常差，故仍需进一步的改善。它的优点是质轻且价廉，故可应用在冷冻货柜等移动性冷冻设备的保温材料。

图4～8分别比较各种新型保温材料有关热传导系数λ、隔热厚度t、单位热阻的成本＄/㎡、单位热阻的质量／㎡R、及应用在40呎长的大型冷冻货柜中其空间变化率的增减关系。

三、真空微粒保温片的试制

83年度工研院能资所关于新型保温材料中先选择真空微粒保温片的作试制，其结果分别以Sample Ⅰ～Ⅳ作代表。Sample Ⅰ和Ⅲ为先干燥后压缩成型；Sample Ⅱ和Ⅳ为先压缩成型后干燥。加工机械包括真空干燥烘箱，真空封装设备，二段式高真空泵浦、油压设备和简单型真空封装机。原料则包料特殊不织布、硅微粉粒、和吸附剂。测试设备有微量天平、热传导系数测定机等。

真空微粒保温片sample Ⅰ～Ⅳ的性质如表1所列，其外型则可见照片1。真空微粒保温片的密度约为硬质PU的密度为47.Okg/m^3，而真空微粒保温片的密度则在2OOkg/m^3左右。真空微粒的孔际度约在90％左右可以得到最佳的绝热保温效果，真空微粒保温片的尺寸为25cmx25cmx2cm(见照片1)，其热传导系数的性能量测是利用专用测试设备。测试结果之比较如图9中所显示的，本年度试制的最佳结果约k≒0.0100kcal/m.h.℃是硬质PU泡绵之热传导系数k≒0.0200kcal/m.h.℃的一半左右(1kcal/m.h.℃≡1.16W/mk)。

四、研究结果与应用

由本研究小组所研发之真空微粒保温材料可应用在电冰箱、冷藏库、冷冻库、展示柜、储冰槽等冷冻空调设备之隔热用途。尤其是近年来为了CFC类化合物对于地球臭氧层的破坏和温室效应的威胁，如何发展CFC的替代技术已成为最迫切的问题。然而，真空保温技术正提供传统之CFC-11发泡与暂时替代发泡之HCFC类发泡技术带来真正解决问题的曙光。真空保温材料的特点为除了轻薄短小外，还可节省大量能源、无污染、可回收及可大量生产。未来若配合以完全水发泡或环戊烷发泡的硬质PU泡绵，将可广泛地应用在各冷冻空调设备，而进一步地降低电能消耗与设备成本，并符合未来完全禁用CFC和HCFC之革命性的替代性保温技术。

根据调查结果显示 ，台湾地区的小型商用冷冻冷藏设备每年约有80亿的市场，其中家用电冰箱的年销售量也在80万台左右，而真空保温材料的潜在市场约50亿左右。以展示柜占小型商用冷冻冷藏设备约60％以上的产值为例，若使用新型保温材料可节能10％以上，即每年新购设备中即可节省7000万度电。根据热传原理预估使用新型保温材料在电冰箱及冷藏库上约可节能20～30％左右，故其经济效益是可预期的。

本年度先研究第一代真空保温技术－真空微粒保温材料，并完成试制与性能测试，较原有硬质PU泡绵其性能可改善一倍左右，未来仍继续提升其性能及耐久能力，并开发第二代，第三代更轻、薄、短、小的真空保温技术。

五、结论及建议

随着能源成本的日益高涨、环境保护的意识抬头和都市内使用空间的日益缩小，新型的保温隔热材料在可预见未来将影响着每个人的生活。未来世界家电的趋势走向更轻、薄、短、小、可回收、省能源和资源的方向，并已逐步实用化。属于亚热带气候的台湾在冷冻空调设备乃至家庭的冰箱方面一年消耗约50亿度电/年，占总发电量约5.6％左右。如何改善这些产品的耗电量，相信可以减少很多无谓的社会抗争和成本。若从另一角度来看，CFC冷媒被禁用，含CFC发泡保温材料受限用，故新型保温材料的商机无限。本文研究新型保温材料及其应用并达到省能源、省空间的效果。新型保温材料的研发、将来的方向，配合政府的能源和环保政策，有赖原料制造商、机械设备制造商、研究单位和使用者，四者密切配合，互相支持，才能有所成就。

未来在新型先进保温材料之研究方面的建议可归纳成下列几点：

继续提高真空微粒保温材的隔热性能和耐久性的研究。 发展真空微粒保温材的制造设备之研发与应用技术，并评估其省能效果。 继续进行更轻之第二代真空保温技术，如微气泡开孔型硬质聚胺基甲酸酯真空保温片的技术，及非真空的充气式保温技术等。