真空绝热板主要由内部芯材、吸气剂和隔气结构膜共3个部分组成（其结构如图1所示）。其中，隔气结构膜是维持绝热板内部真空度的最主要部件，是决定绝热板的性能好坏及寿命长短的关键。隔气结构膜的材质及粘合方式等，都会对真空绝热板的阻热系数产生影响，尤其是热桥效应对VIPs热导率的影响比较大。在VIPs技术的发展历程中，隔气结构膜先后经历了3种形式的更迭换代。文中在对隔气结构的研究进展进行了概述，分析隔气结构膜对VIPs热效应的影响，进而从热桥效应对真空绝热板热导率的影响这一角度，对目前常用的隔气结构膜提出一些较为合理的改进措施，最后从隔气结构膜改进方面，提出了一些延长真空绝热板使用寿命的措施。
一、 隔气结构膜研究现状
1.隔气结构膜的结构
隔气结构横剖面镜像图如图1所示。按照时间顺序，真空绝热板外层的隔气结构可以选择铸铁或不锈钢。通常情况下，2块金属板的结构都做成盘型，也可以1块做成盘型，另1块做成平板型，并在平的金属版上留有一个用于抽真空的抽气孔。在金属板的厚度取值方面一般取0.002～0.013英寸。经过国内外大量实验论证，金属板的厚度取0.004英寸时真空绝热板的绝热效果可以达到最佳状态。
图 1 真空绝热板结构示意图
真空绝热板的一侧需要覆盖绝热材料，绝热材料一般选择聚氨脂泡沫，真空绝热板的规格一般为15英寸，厚度一般取0.5～1.0英寸，通常取0.5英寸。
图 2 隔气结构横剖面镜像图
早期的隔气结构膜使用的是一种金属结构，后来随着专家学者的研究和不断改进，目前通常使用的是含有金属层的薄膜，有的使用多层聚酯基薄膜，多层聚酯基薄膜一般包括热封层、阻气层、阻热层、反射层以及粘结层等，其结构如图3所示。根据真空绝热板在不同应用场合的需要，有的真空绝热板还设置了防碱层和表面增强层等。
图 3 隔气结构示意图
热封层主要是在芯材封装并抽真空后，将隔气结构膜合为一体的结构，是隔气结构的关键部分。热封层封口效果是影响VIPs内部真空度变化的关键因素，同时也在很大程度上影响着真空绝热板的使用寿命。影响热封效果的因素有很多，如热封层的物理性能和化学性能（成分、熔融指数、厚度、抗老化性能、制造工艺、表面性能等）；热封工艺所涉及的热封温度、热封时间及热封压力；使用环境。
粘结层一般由粘合剂涂抹而成，主要是将其他各层粘合在一起，需要有较强的粘合力、较高的环境适应能力、良好的热稳定性及较低的放气性能。粘结层一般用聚氨酯粘合剂或聚烯烃粘合剂。
阻气层的阻气性能是表征隔气结构防止气体渗透的重要物性参数，阻气层应能有效地防止氮、氧及水蒸气等气体渗入真空绝热板内而破坏其内部真空，影响其绝热性能。阻气层一般用聚乙烯醇，有时可涂阻气漆（如丙稀酸清漆）。
阻热层多采用导热系数低、具有一定的韧性、热稳定性及耐久性的材料复合而成，一般采用聚烯烃（如聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯共聚物）。
反辐射层多为含有金属层的聚酯基薄膜层，如铝蒸镀的聚酯基薄膜，通常铝箔层厚为 30～80 μm，但铝箔为热的良导体，易于形成边缘热桥效应。
2.阻隔膜的发展
2005年之前，真空绝热板隔气结构膜的发展较为缓慢，一般利用金属复合膜作为真空绝热板的隔气结构膜，但这种阻隔膜的热桥损失较明显。最早使用的隔气结构膜是用钢板进行焊接，利用钢板进行焊接能够保证绝热板的强度，防刺穿效果较好，但是它的热桥效应比较大，降低了真空绝热板的整体保温效果。
2005年，上海海事大学阚安康等专家对真空绝热板的制作研究中，真空绝热板的外层隔气结构膜是使用金属板结构，文中提到选择不锈钢材料作为隔气结构膜材料，在隔气结构膜制作结构上，可以做成盘型结构，也可以是一块做成平的，一块做成盘型的。在当时，这样的阻隔膜已经取得较理想的阻气保真空效果。
2006年，Thomas I.Thorsell通过研究也发现，选择热导率较低的不锈钢作为真空绝热板的隔气结构膜可以减小热桥损失，同时，不锈钢还具有一定的抗腐蚀性等优良特性；随后，多层聚酯基塑料薄模得到一定的发展，多层聚酯基薄膜能有效地减小热桥效应带来的热损失。起初，多层聚酯基薄膜中间含有金属层，多数是含有一层铝箔，起到支撑和保护的作用，后来经过一定的发展，市场上出现了一种不含金属层的薄膜，但含有一层积附的金属层，这样有效地减小了边缘效应带来的损失，而且这种材料比含有铝箔层的薄膜阻气性能更优越，这种新型的多层聚酯基薄膜的代表性成果是杜邦公司研究的Mylar200RSBL300隔气结构膜。
2015年，汪若冰等人用聚乙烯尼龙6、乙烯/乙烯醇共聚物、聚丙烯共4种聚合物制作出了五层的复合膜材料。同年，梁晓红等人在此基础上将聚乙烯、乙烯/乙烯醇共聚物和尼龙6进行了共混改性，制备了高阻隔膜，此种隔气结构膜韧性高，阻气性能更好，具有良好的力学性能，综合性能好，在工业生产上具有良好的应用前景。
近年来，随着纳米技术的不断发展与日趋成熟，在一些领域，人们对纳米复合材料作为隔气结构膜，尤其是食品行业进行了深入的开发与研究。由于这种纳米材料作为隔气结构膜时阻气效果好，而且其耐热性更加优越，当纳米科技隔气结构膜的一侧直接与热源接触时，与常规隔气结构膜不同的是，它不但不会降低气体的阻隔效果，反而具有提高阻隔气体的趋势。基于以上纳米材料作为隔气结构膜所具有的优势，可以尝试着以纳米材料作为隔气结构膜应用到真空绝热板上来。
二、延长使用寿命的方法
1. VIPs使用寿命与真空度的关系
目前，真空绝热板的使用寿命还没有确切的定义，根据ASTM C 1484-01所规定的标准，VIPs的使用寿命是指测试环境平均温度为24 ℃、相对湿度为50％时，绝热板的中心热导率在低于0.0115 W/（m?K）时所能维持的时间。当VIPs的热导率大于0.0115 W/（m?K）时，即认为VIPs老化失效。
当绝热板内真空度比较低时，导热系数受真空度的变化影响并不大，而且这种情况下绝热板热导率通常比较高，随着VIPs内部真空度的降低，导热系数会急剧下降，当真空度降到一定程度时，导热系数又会趋于一个定值，该曲线整体上呈S型。真空绝热板的使用环境气压为1.031×105 Pa，使用环境温度为20 ℃时，不同芯材的绝热板热导率和真空度的关系如图4所示。
图 4 几种典型芯材真空度与导热系数关系
2.VIPs真空度的影响因素
2009年，张宁等研究了VIPs的绝热性能与真空度的关系，并分析了板内真空度的影响因素，同时就隔气结构膜对气体的渗透与芯材老化气体释放等方面，提出相应的提高板内真空度的方法措施。
2010 年，温永刚等建立了VIPs使用寿命分析模型，对真空绝热板的使用寿命进行评估，通过模型的分析数据与实验数据对比发现，两者能够较好地吻合。
2011 年，邸晓波等通过理论模型计算和样品测试等方法，研究了 2 种不同芯材的绝热板导热系数与真空度的关系，探讨了绝热板制作工艺并提出延长使用寿命的方法。
2014 年，阚安康等人通过实验的方法研究了气体和水蒸气对导热系数的影响，并采用数值分析的方法建立了相应的数学模型理论分析了导热系数的变化规律，对真空绝热板的使用寿命进行评估并提出了相应的提高使用寿命的措施。
影响VIPs真空度的因素有很多，主要是气体和水蒸气渗透对VIPs真空度的影响，其中，这种渗透主要包括：
（1）VIPs制作在抽真空操作时，外界气体的混入 ；（2） 在使用过程中，外界气体通过隔气结构膜渗透、通过隔气结构膜边界粘结处渗入等方式进入真空绝热板；（3） 在使用过程中，内部芯材及隔气结构膜材料老化释放出气体及水蒸气等对VIPs内部真空环境造成破坏。
由于水的导热系数约为气体导热系数的25倍，相对于各种气体来讲，水蒸气对真空绝热板热导率的影响更大，随着VIPs使用时间的延长，会有越来越多的气体或水蒸气渗入，严重影响绝热板的性能。
3.膜材的选择
膜材即通常讲的隔气结构膜的材料，在选择膜材时，首要考虑的是该材料隔热性能，其次还要综合考虑这种材料在应用上抗气体及水抗蒸气的渗透能力以及密封性能等几个方面。隔气结构膜材料研究和应用较多的有金属铝箔、聚偏二氯乙烯、乙烯/乙烯醇共聚物、聚
萘二甲酸乙二醇酯以及新兴的纳米材料等。对常见的阻隔膜材料及其特点归纳如表1所示。几种典型隔气膜结构膜在渗透性能方面的比较如表2所示。
表 1 典型隔气结构膜的特点
表 2 几种典型隔气结构膜在抗气体渗透性能方面的比较
通过表2几种典型的隔气结构膜在抗气性方面的比较发现，相对于之前常用的金属复合膜而言，新开发的隔气结构膜的膜材在抗气体渗透等方面有了很大幅度的提高，氧气渗透率和水蒸气渗透率都提高了一个数量级以上，新型隔气结构膜在VIPs膜材选择上的应用有望取代原始膜材，使VIPs在绝热性能和使用寿命等方面更加优越。尤其是纳米材料作为新兴的膜材在隔气结构膜上的应用，在稳定性、可塑性及阻隔性能等方面表现出更佳的优越性，该材料在真空绝热领域正被专家学者所关注。近几年，通过对VIPs的膜材在分子结构层面的研究和设计改造，新型复合膜在隔气结构膜应用得以发展，该种新型膜材通过提高隔气结构膜抗气体渗透能力而大大提高了绝热板阻热性能和使用寿命。目前，在对隔气结构膜的研究上，无铝化减小边界效应是行业研究重点。
4.延长使用寿命优化措施
真空绝热板板内真空度的高低是衡量真空绝热性能和使用寿命长短的重要指标，为保证既定真空绝热板的导热特性和使用寿命，可以从减少气体渗入和降低芯材及隔气结构放气等环节入手。
（1）原材料的选择及加工工艺的优化。在真空绝热板隔气结构的选择时，尽量选择那些既能提供较强的抗气体渗透能力，又能最大程度上减小热量传递的高阻隔薄膜。目前，采用比较多的是金属与塑料复合而成的阻隔膜，由于铝薄膜能够有效地抑制空气和水蒸气的渗透速率，所以，以镀铝薄膜作为金属层用得最多。在能够保证真空绝热板隔气性能优良的前提下，可以采用聚酯基无金属薄膜，该薄膜是对金属隔气结构的替代，这样既能降低甚至消除绝热板的热桥效应，又能使真空绝热板在整个使用寿命期限内都能保持良好的绝热性能。随着真空绝热板在建筑等领域的广泛应用，绿色环保及防火等又成为真空绝热板隔气结构面临的又一攻艰课题。
（2）可降阶反气体渗透的真空绝热板。多孔介质真空绝热板之所以能够绝热，主要是通过最大限度地提高绝热板内部真空度来实现的，能够在真空绝热板的整个使用寿命周期内保持板内真空度，主要是依靠隔气结构来实现的。正如文章前面所述，真空绝热板的内部真空度非常高，一般的真空绝热板内部压力能保持在1～10 Pa左右，个别的真空度甚至更低，近似接近绝对真空。在板内外压力差极大的情况下，外界气体透过隔气结构表面及缝隙渗透到板内是不可避免的，由于提高了板内压力而降低了真空绝热板的整体导热效果。笔者设计了一种阻碍气体通过隔气结构向板内渗透的方法，该方法通过气体降阶的方式可以有效延长真空绝热板的使用寿命。
常规封装方式为2片隔气结构热封而成，其剖面图如图5所示。气体通过隔气结构渗透入板内是引起板内压力上升的主要原因，而板内外压差才是决定气体渗透能力和渗透量的关键因素。设计的具有压力降阶阻气的真空绝热板隔气结构包装袋示意图如图6所示。
图 5 常规隔气结构袋
图 6 可降阶隔气结构袋
芯材被独立的袋状腔室隔开，并在最外层的芯材内放置少量吸气剂。气体因内外较大压差会微量的渗透到最外一阶真空绝热板，而最外一阶与内层之间因压差较小，气体渗透量甚微，中心一阶的芯材在较低的真空状态下保持良好的绝热性能。采用分阶降压，气体逐级渗透，可以有效的保持真空绝热板的绝热性能，延长使用寿命。另一方面，分阶降压可以有效地减少气体向芯层的渗透，即便在不使用吸气剂的情况下，也可以长时间内保持内层一阶真空绝热板的板内真空度，维持较高热阻和较好绝热性能。再者，外层一阶的真空绝热板还起到对内层的保护作用，即便在外层隔气结构被刺破的情况下，依然可以维持内层真空绝热板的板内真空度，从而保证真空绝热板整体的绝热性能。如果分阶的等级较多，还可以省去气体吸附材料，减少制作成本，提高其经济性。
三、结语
真空绝热板作为一种新型的保温材料，无论在性能上还是便捷程度上都比其他传统的保温材料更优越，不过我国对真空绝热板的的研究较少，研发的技术正处于起步阶段，具有广阔的发展前景。
（1）目前我们所用的隔气结构膜先后经历了3种结构的演变，最初使用的是金属薄膜作为真空绝热板的隔气结构，后来随着有机塑料产业的兴起，金属薄膜被多层聚酯基薄膜所代替，但该种薄膜中间仍含有金属层。目前最常用的隔气结构膜是不含金属层的多层聚酯基薄膜，而且应用效果更加优越，是隔气结构发展史的又一次重大飞跃。
（2）真空绝热板的使用寿命与多种因素（隔气结构膜性能、芯材物性、吸附剂性质、外界环境等）有关，其中隔气结构膜的性能直接影响绝热板的使用寿命，为保证真空绝热板的导热特性和使用寿命，可以从减少气体渗入和降低芯材及隔气结构放气等环节入手，对真空绝热板的生产和应用水平具有一定的导向作用。
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