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间隔层纤维纸微观结构及热物理性质研究

  • 马晓勇 1
  • 陈叔平 1 ✉
  • 张亚娟 2
  • 于洋 3
  • 于海峰 3
  • 王波 1
1. 兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州，730050； 2. 兰州城市学院化学工程学院， 甘肃兰州，730070； 3. 西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安，710049

中图分类号： TS7； TB35

最近更新：2025-03-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.03.008

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摘要

纤维纸因其材料轻质、厚度较小及低导热系数等优点，适用作多层绝热间隔层。本研究采用扫描电子显微镜、压汞法和瞬态平面热源法，探究了玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸的微观结构及热物理性能。结果表明，玻璃纤维和化学纤维表面光滑，横截面呈圆形状；植物纤维具有天然纹理，横截面为扁平状。各纤维纸的纤维直径存在显著差异，且玻璃纤维纸的纤维直径最小。3种纤维纸中，化学纤维纸的孔隙率最小（83.62%），植物纤维纸则拥有最大的总孔隙体积（7.174×10-3 m3/kg），而玻璃纤维纸具有最大的总孔隙面积（3 889 m2/kg）。在热物理性质方面，玻璃纤维纸的水平、垂向导热系数及比热容均最低，但热扩散系数则显著高于植物纤维纸和化学纤维纸。

常见的以天然或合成纤维为主要原料制成的纤维纸包括玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸等，可作为间隔层，与反射层材料交替布置，构成低温贮运设备的关键热防护系统——多层绝热系统[

1-2]（图1）。纤维纸通常具有质量轻、厚度薄、导热系数低等优点，在多层绝热系统中，可有效阻隔相邻反射层材料间的接触，避免反射层间因黏附而出现“热短路”现象；且纤维纸自身具有较低的导热系数，可以使多层绝热内的固体导热始终维持较低水平[3-5]。

图1  纤维纸作为间隔层应用于多层绝热系统

Fig. 1  Fibre papers acting as the spacer layers in the multilayer insulation system

因打浆、疏解等工艺的不同，纤维纸的纤维尺寸、孔隙率等微观结构会存在差异，进而影响其热物理性质[

6-8]。从李倩等[9]研究结果可知，玻璃纤维保温材料的孔隙率是材料导热系数的重要影响因素之一，当纤维直径不变时，材料的导热系数会随孔隙率的增大而降低；此外，当不考虑孔隙率的影响作用时，玻璃纤维保温材料的导热系数会随纤维直径的增大而升高。郑新苗等[10]利用扫描电子显微镜、压汞仪和热线法通用导热系数仪，研究了纤维直径对玻璃棉纤维纸微观结构和性能的影响；研究表明，纤维平均直径越小，玻璃棉纤维纸单位体积内的纤维数量增多、孔隙尺寸减小，孔隙率则会越大，且平均直径减小的程度越大，孔隙率的增幅也越大，从而导致玻璃棉纤维纸的导热系数则呈明显降低趋势。在工程应用中，间隔层纤维纸的热物理性质将直接影响多层绝热系统的热性能表现，因采用的纤维纸种类不同、热物理性质不同，多层绝热的热性能和绝热效果亦会存在一定差异[11-13]。

本研究采用扫描电子显微镜法和压汞法测量了玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸3种常见间隔层纤维纸的纤维形貌、纤维直径及孔隙率等结构参数，利用瞬态平面热源法探究了上述3种纤维纸的导热系数、热扩散系数、比热容等热物理性质，进而分析纤维纸的微观结构与其热物理性质的关系，有助于理解间隔层纤维纸的内部构造及其传热绝热机理，并为多层绝热的性能预测提供数据支撑。

1 实验

1.1　材料与仪器

本研究选用了玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸3种常见的间隔层纤维纸作为研究对象，样品购自国内某厂家，3种可作为间隔层应用于多层绝热系统的纤维纸基础参数见表1。图2显示了3种常见的间隔层纤维纸表面性质。如图2(a1)~图2(c1)所示，玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸外观均呈白色，其中植物纤维纸和化学纤维纸的纤维纹理比玻璃纤维纸更突出和清晰，且纤维间存在明显孔隙，与此对比，玻璃纤维纸的纤维纹理和孔隙则并不明显。图2(a2)~图2(c2)分别为玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸的表面形貌图。从图2(a2)~图2(c2)可以看出，3种纤维纸的纤维种类、形态及尺寸均存在显著差异。图2(a3)~图2(c3)分别为玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸的三维形貌图。从图2(a3)~图2(c3)观察可知，相对比植物纤维纸和化学纤维纸，玻璃纤维纸的表面更光滑平整、复杂度较低，表面粗糙度更小。

表1  3种间隔层纤维纸的基础参数
Table 1  Basic parameters of the three kinds of spacer fibre papers
纤维纸种类参数
玻璃纤维纸

与氧兼容；

厚度(0.08±0.01) mm；

质量(12±2.0) g/m2；

抗拉强度≥0.04 kN/m；

含水率≤0.5%；

可燃物含量≤1%

植物纤维纸

与氧兼容；

厚度(0.07±0.02) mm；

质量(12±2.0) g/m2；

抗拉强度≥0.1 kN/m；

含水率≤8%

化学纤维纸

与氧兼容；

厚度(0.07±0.02) mm；

质量(18±2.0) g/m2；

抗拉强度≥0.1 kN/m；

含水率≤0.5%

图2  3种间隔层纤维纸表面性质

Fig. 2  Surface properties of the three kinds of spacer fibre papers

此外，在触感上，植物纤维纸和化学纤维纸的柔韧性和抗拉扯性略强于玻璃纤维纸，后者易因扯拽或触压而发生损坏。同时，玻璃纤维纸具有一定阻燃性，火烧时无黑烟、明火，其通常与铝箔组合为阻燃型多层绝热系统，而植物纤维纸和化学纤维纸则不具备阻燃性。表2列举了玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸3种间隔层纤维纸的纤维种类及性能特点。

表2  3种间隔层纤维纸的纤维种类及特点
Table 2  Fibre types and characteristics of the three kinds of spacer fibre papers
纤维纸种类纤维种类性能特点
玻璃纤维纸 超细二氧化硅玻璃纤维 耐高温，耐低温，阻燃性强，化学稳定性好
植物纤维纸 从木材、棉花、亚麻和其他植物中提取的纤维素 绿色环保，强度较好
化学纤维纸 聚酯纤维 化学耐受性好，机械强度高，耐磨性强

本研究所用主要实验仪器包括：GeminiSEM 300扫描电子显微镜（SEM），德国蔡司公司；AutoPore IV 9500压汞仪，美国麦克默瑞提克公司；TPS 2500S热常数分析仪，瑞典Hot Disk公司。

1.2　实验方法

1.2.1　SEM分析及纤维直径测量

前期研究已验证了使用SEM可分析表征材料的纤维形态和结构，具有可行性与有效性[

14-15]。本研究首先将纤维纸样品裁剪为尺寸长度×宽度=2 mm×2 mm，待充分干燥后贴于导电胶上，再进行喷金处理，以增强样品导电性。观测时，选择二次电子成像模式，采用SE2探针配置，加速电压2.0 kV，工作距离6.1 mm。最后，在不同纤维纸SEM图中选取30根成像清晰的纤维，应用 Nano Measurer软件测量纤维直径，记录并分析数据，得出3种纤维纸的纤维直径参数和纤维直径分布范围。

1.2.2　压汞法测量

压汞法（MIP）具有测量范围广、检测效率高、精度好等优点，其可用于测量评价固体材料中直径为3 nm~800 μm的孔隙结构[

16]。MIP是基于汞在大多数材料表面的非浸润性，需要施加压力以迫使汞填充材料的内部孔隙，随着施加压力的增加，汞则可以进入孔径更小的孔隙[17]。

测试时，先将纤维纸样品干燥称量，再将测试样品装入膨胀计中，并将含样品的膨胀计组件称量质量，结果如表3所示。称量质量后，将膨胀计组件安装回压汞设备中，分别进行低压和高压分析，低压分析的压力范围为0.51~89 psi（1 psi=6 894.76 Pa），而后再进行高压分析，此阶段压力会升至最大压力33 000 psi。

表3  3种间隔层纤维纸样品的质量称量数据
Table 3  Weighing data of the three samples of spacerfibre papers ( g )
纤维纸种类样品质量膨胀计质量含样品的膨胀计质量
玻璃纤维纸 0.074 3 59.460 5 59.534 8
植物纤维纸 0.033 5 61.617 9 61.651 4
化学纤维纸 0.021 9 62.519 3 62.541 2

1.2.3　瞬态平面热源法测量

瞬态平面热源法（TPS）可测量多种材料（包括固体、粉末、糊状物、液体和薄膜等）的热物理性质参数，具有操作简单、测量时间短、不受接触热阻影响等特点[

18-19]。本研究先将纤维纸充分干燥，采用TPS法测试分析纤维纸的导热系数、比热容和热扩散系数等热物理性质。所用测试仪器为Hot Disk TPS 2500S热常数分析仪，配备相关辅助设备，如稳压电源、数据采集计算机等，详见图3。基于间隔层纤维纸为各向异性材料（以纤维纸铺平展开方向为水平方向，以垂直于铺平展开纤维纸表面的方向为垂向方向）则沿被测材料水平方向与垂直方向上的热物理性质可能存在差异，因此本研究选用“平板模块”和“薄膜模块”2种测试方法进行热物理性质测试。

图3  热常数分析仪及其辅助设备

Fig. 3  Thermal constant analyser and its auxiliary devices

1.2.3.1　“平板模块”法

“平板模块”法采用的探头型号为Kapton 5465 F1，该探头对被测样品的厚度存在限定，即厚度应介于0.107~2.546 mm之间。测量前，为满足该方法对样品厚度的限定要求，需先将2张同种类间隔层纤维纸贴合压实，确保纸间无空隙，再进行样品厚度测量，压合后的玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸样品厚度分别为0.180、0.160、0.115 mm。随后选用聚苯乙烯泡沫板（简称苯板）作为测试的背景材料，并将背景材料、被测样品及探头搭建成如图4(a)所示的“三明治”结构，即将探头夹于2个厚度相等的被测样品中间，被测样品外表面则由苯板绝热。测量参数分别为：可使用的径向探测深度20 mm，测量时间2 s，加热功率0.02 W，温度25 ℃，每种纤维纸样品分别测量3次，结果取平均值。

图4  TPS法测试原理图

Fig. 4  Test schematic diagram of TPS methods

1.2.3.2　“薄膜模块”法

“薄膜模块”法采用型号为Kapton 7854 F1的测试探头，且将不锈钢块作为背景材料，该方法能够有效测量厚度范围为0.01~2 mm的样品。首先，应进行薄膜背景参照实验，参照实验的目的是去除探头与背景材料之间的接触热阻。薄膜背景参照实验完成后，再开展对纤维纸样品的测试，先测量每张间隔层纤维纸样品的厚度，测得玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸厚度分别为0.07、0.08、0.055 mm。然后，将背景材料、被测样品及探头需布置为如图4(b)所示的“三明治”结构，使探头处于2个厚度相近的样品之间，并将不锈钢块布置于被测样品外侧。所设置的测量参数应与薄膜背景参照实验的设定参数相同，测量类型选择为“标准（无限）”，测量时间10 s，加热功率0.8 W，温度25 ℃，每种纤维纸分别测量3次，结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1　纤维形貌与直径

3种间隔层纤维纸的SEM图如图5所示。从图5可以看出，玻璃纤维和化学纤维属于人造合成纤维，其表面较为光滑且横截面通常为圆形；相比之下，天然的植物纤维表面则略显粗糙且有明显的植物纹理，其横截面呈扁平状。

图5  3种间隔层纤维纸的SEM图

Fig. 5  SEM images of the three kinds of spacer fibre papers

图6(a)展示了3种纤维纸的纤维直径分布。从图6(a)可以看出，在玻璃纤维纸中，约80%的纤维直径在0~0.4 μm范围内；对于植物纤维纸，约半数纤维（总数的53%）的直径分布于9.4~12.8 μm之间；化学纤维纸中，约40%的纤维处于14.6~15.4 μm的纤维直径区间内。此外，如图6(b)所示，玻璃纤维纸的最大、最小和平均纤维直径分别为1.09、0.05和0.27 μm，均显著小于植物纤维纸和化学纤维纸的纤维直径参数。这解释了玻璃纤维纸比植物纤维纸和化学纤维纸更脆弱的原因，由于纤维直径较小，纤维更纤细，导致玻璃纤维纸柔韧性和抗拉扯性更弱，在作为多层绝热间隔层材料使用时更容易受损破坏。此外，植物纤维纸和化学纤维纸的平均纤维直径较接近，分别为11.10和14.97 μm；但化学纤维纸的最大、最小纤维直径差值明显小于植物纤维纸，即化学纤维纸中纤维更加均质，究其原因是化学纤维为人造合成纤维，经过生产和制造工艺的把控，相比源于自然界的植物纤维，更容易实现均匀的直径参数。3种间隔层纤维纸的纤维直径参数见表4。

图6  3种间隔层纤维纸的纤维参数

Fig. 6  Fibre parameters of the three kinds of spacer fibre papers

表4  3种间隔层纤维纸的纤维直径参数
Table 4  Fibre diameter parameters of the three kinds of spacer fibre papers
纤维纸种类纤维直径分布最大直径/μm最小直径/μm平均直径/μm
玻璃纤维纸 0~0.4 μm（占总纤维数80%） 1.09 0.05 0.27
植物纤维纸 9.4~12.8 μm（占总纤维数53%） 22.05 6.37 11.10
化学纤维纸 14.6~15.4 μm（占总纤维数40%） 16.73 13.44 14.97

2.2　孔隙参数

图7(a)~图7(c)分别展示了3种间隔层纤维纸的孔隙率、孔径参数（中值和平均孔径）、总孔隙体积和面积等。从图7(a)可以看出，3种间隔层纤维纸均具有较高的孔隙率，玻璃纤维纸和植物纤维纸的孔隙率相近，分别为91.01%和90.92%；而化学纤维纸的孔隙率则相对较低，为83.62%。中值孔径（V）指不同孔径的孔以孔体积大小进行排布，取中值孔体积对应的孔径大小；中值孔径（A）指不同孔径的孔以孔表面积大小进行排布，取中值表面积对应的孔径大小。对比孔径参数，从图7(b)可以看出，玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸的平均孔径分别为6.69、68.84和64.50 μm，玻璃纤维纸的平均孔径明显小于植物纤维纸和化学纤维纸，分别减少了约90.28%和89.63%。此外，玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸的中值孔径（V）分别为10.93、69.21和66.38 μm，中值孔径（A）分别为3.78、64.12和58.59 μm。由此可见，玻璃纤维纸具有较小的纤维直径和较细的纤维尺寸，使单位质量纤维纸内众多交织的纤维构建了细密繁杂且孔径更小的孔隙结构，其反映在孔隙尺寸参数上，则平均孔径、中值孔径（V）和中值孔径（A）均显著小于植物纤维纸和化学纤维纸。

图7  3种间隔层纤维纸的孔隙参数

Fig. 7  Pore parameters of the three kinds of spacer fibre papers

在工程应用中，多层绝热系统需搭配高真空环境才能发挥绝佳的低温绝热效果。在多层绝热的抽真空过程中，纤维纸材料具有较大的平均孔径、中值孔径（V）及中值孔径（A）等孔隙参数，有利于多层绝热层间气体的流通与抽出，可促进多层绝热系统内部高真空环境的形成，有效减小残余气体导热，且能减少抽真空时间。通过对3种间隔层纤维纸的孔隙结构研究可知，相比于将玻璃纤维纸作为间隔层材料，采用植物纤维纸或化学纤维纸作为间隔层的多层绝热系统更容易实现高真空环境，且抽真空时间更短、抽真空成本更低。

如图7(c)所示，3种间隔层纤维纸按总孔隙体积排序由大到小依次为植物纤维纸（7.174×10-3 m3/kg）、玻璃纤维纸（6.507×10-3 m3/kg）、化学纤维纸（5.083×10-3 m3/kg），其原因可能为：植物纤维纸自身拥有较大的孔隙率，且植物纤维表面存在凹凸不平的纹理，褶皱和凹陷的纹理亦会增加总的孔隙体积。3种纤维纸的总孔隙面积由大到小依次为玻璃纤维纸（3 889 m2/kg）、植物纤维纸（417 m2/kg）、化学纤维纸（315 m2/kg）。玻璃纤维纸的总孔隙面积最大，分别是植物纤维纸和化学纤维纸的约9.33和12.35倍。经分析，其原因为：3种间隔层纤维纸中，玻璃纤维纸的孔隙率最高（91.01%），并且其纤维直径更小（平均纤维直径为0.27 μm），即意味着单位质量内存在数量众多且交织密集的玻璃纤维，从而构造出了数量庞大且较细微的孔隙结构，进而使玻璃纤维纸的总孔隙面积有效增大。3种间隔层纤维纸的孔隙结构参数见表5。

表5  3种间隔层纤维纸的孔隙结构参数
Table 5  Pore structure parameters of the three kinds of spacer fibre papers
纤维纸种类孔隙率/%平均孔径/μm中值孔径（V）/μm中值孔径（A）/μm总孔隙体积/(10-3 m³·kg-1)总孔隙面积/(m2·kg-1)
玻璃纤维纸 91.01 6.69 10.93 3.78 6.507 3 889
植物纤维纸 90.92 68.84 69.21 64.12 7.174 417
化学纤维纸 83.62 64.50 66.38 58.59 5.083 315

2.3　热物理性质

间隔层纤维纸的热物理性质是其重要的性能指标，图8展示了通过TPS法获得的3种间隔层纤维纸的水平导热系数、垂向导热系数、热扩散系数和比热容，参数如表6所示。

图8  3种间隔层纤维纸的热物理性质

Fig. 8  Thermophysical properties of the three kinds of spacer fibre papers

表6  3种间隔层纤维纸的热物理性质均值
Table 6  Average values of the thermophysical properties of the three kinds of spacer fiber papers
纤维纸种类导热系数/(W·m-1·K-1)热扩散系数/(10-6 m2·s-1)比热容/(105 J·m-3·K-1)
水平垂向
玻璃纤维纸 1.27 0.025 34 4.054 3.1
植物纤维纸 1.45 0.032 91 3.180 4.5
化学纤维纸 1.87 0.028 74 3.240 5.6

从表6可以看出，各纤维纸自身的水平导热系数均大于其垂向导热系数；此外，玻璃纤维纸的水平、垂向导热系数平均值分别为1.27和0.025 34 W/(m·K)，均低于植物纤维纸和化学纤维纸，说明玻璃纤维纸的绝热性能在三者中最好。玻璃纤维纸的低导热系数可归因为：玻璃纤维的主要成分是二氧化硅（SiO2），并包含如氧化铝（Al2O3）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）和氧化硼（B2O3）等无机氧化物，其自身固有的导热系数较小；其次，玻璃纤维的纤维直径较小，使纤维具有较高的固体导热热阻；并且，玻璃纤维纸的高孔隙率和小孔隙直径亦能削弱孔隙结构内部的辐射传热，进而提升其绝热性能，使玻璃纤维纸表现出较低的导热系数。

在工程实践中，间隔层纤维纸的垂向导热系数是影响多层绝热系统漏热程度及绝热效果的重要参数。图9为多层绝热系统内环境漏热的流通示意图。如图9所示，在温差的驱动下，漏热由多层绝热的热边界向冷边界传递，即沿着纤维纸表面的垂直方向传递，垂向导热系数越小，则多层绝热内部的固体导热越小、绝热效果越好。3种间隔层纤维纸的垂向导热系数均<0.14 W/(m·K)，满足了绝热材料的技术要求[

20-21]，且3种间隔层纤维纸的垂向导热系数由大到小依次为植物纤维纸（0.032 91 W/(m·K)）、化学纤维纸（0.028 74 W/(m·K)）、玻璃纤维纸（0.025 34 W/(m·K)）。因此，当多层绝热系统采用植物纤维纸作为间隔层时，其内部固体导热较大、漏热增加、绝热效果变差；当多层绝热系统采用玻璃纤维纸作为间隔层时，其内部固体导热更小、漏热减少、绝热性能提升。

图9  多层绝热系统内漏热的传递

Fig. 9  Transmission of heat leakage within a multilayer insulation system

热扩散系数（又称热扩散率）是衡量材料在非稳态导热过程中性能的重要参数，其反映了在一定温度梯度作用下热量在材料中的扩散速率。表6中植物纤维纸和化学纤维纸的热扩散率相似，分别为3.180×10-6和3.240×10-6 m²/s；而玻璃纤维纸的热扩散率较高，为4.054×10-6 m²/s。此外，3种间隔层纤维纸的比热容（平均值）由大到小排列依次为化学纤维纸（5.6×105 J/(m³·K)）、植物纤维纸（4.5×105 J/(m³·K)）和玻璃纤维纸（3.1×105 J/(m³·K)），即单位体积、单位变温条件下化学纤维纸可比植物纤维纸和玻璃纤维纸吸收更多的热量。

3 结论

本研究探究了玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸等3种常见的应用于多层绝热系统的间隔层纤维纸的微观结构参数和热物理性能。

3.1 玻璃纤维和化学纤维表面光滑且横截面呈圆形状；而植物纤维表面具有天然纹理且其横截面为扁平状。在玻璃纤维纸中，绝大多数纤维的直径处于0~0.4 μm区间，其最大、平均和最小直径分别为1.09、0.27和0.05 μm。在植物纤维纸中，约53%的纤维处于9.4~12.8 μm的直径范围内，其最大、平均和最小直径分别为22.05、11.10和6.37 μm。在化学纤维纸中，约40%的纤维分布在14.6~15.4 μm的直径范围内，最大、平均和最小直径分别为16.73、14.97和13.44 μm。

3.2 玻璃纤维纸、植物纤维纸和化学纤维纸的孔隙率分别为91.01%、90.92%和83.62%。玻璃纤维纸的平均孔径、中值孔径（V）和中值孔径（A）分别为6.69、10.93和3.78 μm；植物纤维纸的平均孔径、中值孔径（V）和中值孔径（A）分别为68.84、69.21和64.12 μm；化学纤维纸的平均孔径、中值孔径（V）和中值孔径（A）分别为64.50、66.38和58.59 μm。鉴于植物和化学纤维纸具有较大的孔隙结构尺寸，采用植物或化学纤维纸的多层绝热系统更易抽真空，即抽真空时间更短、成本更低。此外，植物纤维纸拥有最大的总孔隙体积，为7.174×10-3 m3/kg；而玻璃纤维纸则具有最大的总孔隙面积，为3 889 m2/kg。

3.3 玻璃纤维纸的水平和垂向导热系数最低，分别为1.27和0.025 34 W/(m·K)，将玻璃纤维纸作为间隔层时，多层绝热中的固体导热最小；并且，玻璃纤维纸的热扩散率显著高于植物纤维纸和化学纤维纸，为4.054×10-6 m2/s。此外，玻璃纤维纸的比热容最低，为3.1×105 J/(m3·K)；而化学纤维纸的比热容最高，为5.6×105 J/(m3·K)。

参 考 文 献

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