摘要 [目的]研发能代替传统保温被且性价比更高的新型日光温室保温被。[方法]朝外面料分别选用了淋膜无纺布、淋膜军用基布、珍珠棉（EPE）复合黑色PE编织布、无纺布复合黑色PE编织布，朝里面料选用了强力无纺布；芯材分别选用了喷胶棉、杂羊毛、珍珠棉（EPE）、化纤棉、微孔发泡材料，试制了5 种保温被，通过静态检测及室外试验，以市场主流保温被（牛津布+化纤棉）和（淋膜无纺布+化纤棉）为基准，对照分析了其保温性，且对面料测试了抗拉强度。[结果]静态检测报告表明， 喷胶棉保温被和杂羊绒保温被的保温率分别为 840%和833%，而淋膜化纤棉保温被和牛津布化纤棉保温被的保温率分别为 75.0%和65.0%。室外试验表明，当室外温度最冷为-24.4 ℃时，喷胶棉保温被保温效果最好，室内温度达5.4 ℃；室外平均温度为-9.3 ℃时，室内平均温度为14.7 ℃；其次是杂羊绒保温被，室外温度为-24.4和-9.3 ℃时，室内温度分别达4.2和14.3 ℃；最差是牛津布化纤棉保温被和淋膜化纤棉保温被，室外温度为-24.4 ℃时，室内温度分别是2.8和3.6 ℃。[结论]喷胶棉保温被和杂羊毛保温被性能良好，可作为日光温室的新型高效保温材料推广。
关键词 日光温室；保温被；喷胶棉；珍珠棉（EPE）；杂羊绒；性能测试；保温性；机械强度
中图分类号 S214.3文献标识码 A文章编号 0517-6611（2016）25-233-05
The Structure Design and Thermal Insulation Performance of a New Type of Thermal Insulation in Solar Greenhouse
XIAO Tang， ZHANG Haiyun， WU Haifeng et al
（Qinghai Mechanical Science Research Institute， Xining， Qinghai 810021）
Abstract [Objective] The aim was to research and develop a new type of thermal insulation in solar greenhouse which is costeffective and can replace traditional thermal insulation. [Method] Out of fabrics were chosen coated nonwoven， military base film， EPE composite black PE woven cloth， nonwoven fabric composite black PE woven cloth， inside fabrics were chosen nonwoven fabric； the core materials were chosen polyester wadding， miscellaneous wool， EPE， chemical fiber cotton， microporous foaming material. Through static test and outdoor test， with mainstream market thermal insulation（nylon oxford+chemical fiber cotton） and （coated nonwoven+chemical fiber cotton thermal insulation） as standard， the thermal insulation property was analyzed， and the tensile strength was tested.[Result] Static test report showed that heat preservation rate of polyester wadding and miscellaneous wool thermal insulation was 84.0% and 83.3% respectively， that of coated chemical fiber cotton and nylon oxfordthermal insulation was 75.0% and 65.0%. The outdoor experiment showed that， when minimum temperature outdoor was -24.4 ℃， heat preservation effect of polyester waddingthermal insulation was besst， temperature indoor was 5.4 ℃， average temperature outdoor was -9.3 ℃ and average temperature indoor weas 14.7 ℃； heat preservation effect of miscellaneous wool thermal insulation followed， when outdoor temperature was -24.4 and -9.3 ℃ ， indoor temperature was up to 4.2 and 14.3 ℃； nylon oxfordchemical fiber cotton and coated nonwovenchemical fiber cotton thermal insulation had poorest Effect， when outdoor temperature was -24.4 ℃ ， indoor temperature was 2.8 and 3.6 ℃. [Conclusion] Polyester wadding and miscellaneous wool thermal insulation has good performance， which can be promoted as a new type of thermal insulation materials in solar greenhouse.
Key words Sunlight greenhouse； Thermal insulation； Polyester wadding； EPE； Miscellaneous wool； Performance testing； Thermal insulation property； Mechanical strength
在北方，冬季寒冷，种植蔬菜一般在日光温室中进行，为提高温室内的温度，通常在温室外的前透明坡面覆盖保温层。目前广大农民使用的传统保温覆盖材料有草苫、再生棉保温被等，这些材料虽然具有一定的保温效果，但它们也存在各种缺点，如：自重大、卷放费工、费力；防水性能不好，易导致温室坍塌，给用户带来极大的经济损失；抗紫外线较差，使用寿命短，在阳光充足的地方，保温被的外层经紫外线辐射大大降低了使用寿命；劳动强度大、污染棚体、易伤薄膜、不易保存、防火性能差、折旧成本及维护费过高。
近几年随着草价的不断上涨，一次性投入的成本也大幅度增加。20世纪 80 年代以来，保温被行业的科技人员开展了大量的研发工作，应用大量的纺织品开发出了各种不同结构、 不同材料的保温被，但到目前为止，保温被行业规模小、技术含量低，大部分产品保温性能不如草帘，而且价格高于草帘，很难大规模推广应用。寻找适合不同条件，农民能承担起的温室保温覆盖材料一直是制约日光温室高效生产的难题。因此，开发生产适合不同自然条件现代化日光温室的保温覆盖材料显得尤为重要，研发质轻、保温效果更好的保温被取代传统草帘是我国温室发展的迫切需求。
1 研究范围和目标
1.1 研究范围
根据保温被结构设计原理和常用材料的导热系数，必须选用导热系数小、吸湿度小的保温材料，同时尽量避免水蒸气对材料的影响，必须要有防水膜。另外，保温被设计还应考虑：强度、质量（合理的平方米重量）、寿命、防紫外线效果、性价比等因素。
1.2 研究目标
根据该课题的研究内容和创新点，研发出性价比高的农用新型复合保温被，为广大用户提供物美价廉的产品。
2 研究思路
保温被作为一个整体在极寒环境中使用，需要有一个稳定的结构以保证材料传热性能的稳定发挥，保温率是评价产品结构热性能的常见指标，它的数值变化范围很大，与保温被两侧气流体的性质、流动情况，保温被材料、面积及形状等诸多因素有关。以下是几项重要的影响因素。
2.1 容重
大多数建筑材料的导热系数都随着密度的增加而增大，这是因为材料的导热系数是由骨架与气孔中空气的导热系数共同决定的。一般情况下，静止空气的导热系数是最小的。保温层中含有的静止空气越多，保温层的导热系数也就越小。良好的绝热材料还应具有细小均匀的孔隙。而对于膨松状的保温层而言，由于其密度变化幅度较大，导热系数随着密度的减少而降低，当密度小到一定程度时导热系数变化趋缓。因此，对用松散状纤维制作的保温被来说存在着一个最佳的密度值。在保温被的生产与研发过程中，必须采用膨松体制作保温被的保温层，同时需研究测试获得最佳的密度值，以达到最好的保温性。
2.2 温度
在一定的温度范围内，导热系数可以被认为是温度的线性函数。一般来讲，材料随着温度的升高，其分子的热运动增加，孔隙中空气的导热和孔壁的辐射热也增强，从而使导热系数增加。然而，对于晶体结构材料来说，情况则正好相反，导热系数随着温度的升高而降低。因此，只有孔隙率大的材料，其导热系数才会随着温度的升高而增大。保温被实际在寒地气候下使用，而纺织材料的保暖性测试在标准温湿度下采用静态热箱测试，测试环境与实际使用环境无可比性，因此测量出的传热系数也无效。故需在研究过程中探索低温状态下材料的导热系数随温度降低的变化规律。
2.3 湿度
材料的湿度是说明材料中含游离水分多少的一个指标，是影响导热系数的又一重要因素。当材料孔隙中的部分空气被水分替代时，由于水的导热系数[0.58 W/（m·K）]比空气大20倍，同时水分的存在增加了材料分子间的接触间隙，所以随着材料湿度的增加，其导热系数显著增大。特别是在潮湿低温（冰点以下）状态下，其导热系数会增加更多，因为冰的导热系数达2.33 W/（m·K），比水的导热系数要大3倍。因此，保温被在户外使用过程中必须要防止雨雪、霜冻、大雾天气中水对材料导热系数的负面影响，制作时其表层必须有一定的防水性，以减少水分子进入保温层。
2.4 热流方向
导热系数只有在各向异性材料中，由于材料不同方向上孔隙不同，即各个方向构造不同的材料中，才受到热力方向的影响；保温被的保温材料不能方向均匀，应尽量设计成各向异性材料的混合，以减小导热系数。
综上所述，保温被必须选择导热系数小、各向异性的材料混合，采用膨松、防水、隔气且容重稳定的结构制作。
3 研究过程和结构
3.1 研究过程
针对以上要求，笔者课题组于2015年3月通过网络、报刊文献、有关专利、电话等多种方式方法查询了国内温室保温被的发展现状并收集了相关技术资料。在此基础上，2015年4～5月在北京、天津、河北、山东等地进行了日光温室保温被生产厂家的调研、论证工作，完成了新型保温被所需要的面料、芯材选型工作，完成调查报告1份。经充分讨论拿出了5种方案，所订方案采用分层复合生产技术，将多种具有不同优点的材料，复合成集多种性能于一体的农牧业用保温覆盖材料。采用微孔发泡技术对冷渗透进行阻隔，使材料内部形成致密的密合气孔，形成静止空气层，起到保温作用；用非织造布技术并共混入红外阻隔剂，最大限度地阻止温室内热量的散失，使保温率居国内先进水平。
通过以上技术的集成、综合和创新，将保证保温覆盖材料的优良性能，保温被的保温率将大幅度得到提高，实现温室大棚的产出最大化，提高温室的综合效益。
3.2 5种研究结构的具体确定
针对保温被面料抗紫外线、防水问题进行了集中攻关，通过筛选确定了一种淋膜无纺布或淋膜军用基布作为保温被表层朝外面料。淋膜无纺布就是在无纺布上涂上一层塑料薄膜，一般都是高温加热成热熔状态的塑料涂覆在无纺布上冷却形成的产品；淋膜厚度仅020～0.24 cm，每平方米重量仅160 g，不及一般棉纱帆篷油布重量的1/10，但其纵横向抗拉强度最高能达120 kg，抗温能力-40～70 ℃，而且无味、无毒、耐磨、耐搓，能在红外线、紫外线等环境下长期使用。以强力无纺布和军用基布为表层朝里面料，其次进行了保温被芯材的对比、选择与复合，分别以喷胶棉、针刺废羊绒毛毡、聚苯丙烯发泡材料、针刺废棉毡和珍珠棉一起制作保温被芯材，设计了每平米重量为1.60 kg的5种不同芯材优化组合的保温被方案。另外，还准备了市场上使用率很高，每平米重1.60 kg的牛津布化纤棉保温被和淋膜化纤棉保温被作为对比试验的基准保温被。
44卷25期 肖 棠等 日光温室新型保温被结构设计与保温性能研究
3.2.1 基准方案保温被结构。由图1可见，基准方案保温被结构从上到下依次为灰色牛津布、化纤棉（1 000 g/m2）、珍珠棉（EPE）（厚2 mm）、针刺无纺布，保温被幅宽2 m，厚18 mm，每平方米重量1.60 kg。
随着日光温室的不断增多，与日光温室的配套保温覆盖物也基本由原来价格比较低廉的草苫逐渐被不断增多的保温被所代替。特别是化纤保温被以其工业化废料为主、来源广、单位面积重量小、价格低廉、使用寿命长、保温效果好的特点，越来越受到用户的欢迎，目前已经在日光温室覆盖物中占有了80%比例。所以，该研究以目前市场上推广应用最广，面料为牛津布、淋膜无纺布，保温芯料为化纤棉的保温被作为这次对比试验的基准保温被。
3.2.2 第一方案保温被结构。由图2可见，
第一方案保温被结构从上到下依次为淋膜无纺布、化纤棉（600 g/m2）、微孔发泡材料（聚丙烯）、珍珠棉（EPE）（厚4 mm）、红外线阻隔无纺布，保温被幅宽2 m，保温被厚20 mm，每平方米重量1.60 kg。
考虑到青海日照时间长，紫外线强的特点，淋膜无纺布的淋膜面朝里，这样既延长了淋膜面寿命，又起到了防雨功能，以淋膜防水、表面无针洞是最关键的因素，因此在保温被加工工艺上采用了分层加工，淋膜无纺布与其他材料层分层加工，淋膜无纺布中间无针洞，只在四周与其他材料绗缝，有效地降低了保温被针洞渗水的弊端。化纤棉作为再生棉材料，材料来源广泛，价格较低，在一定程度上可以满足日光温室的保温需要。现有的发泡材料大多数是聚乙烯微孔发泡材料，要么硬而脆（大多数的结构泡沫），要么软而韧（大多数的软质泡沫），刚性和韧性难以兼具。聚丙烯微孔发泡材料兼具刚性和韧性，补充了现有发泡材料性能的不足，厚度仅0.5 mm，每平方米重量仅70 g，不及一般珍珠棉（EPE）重量的1/23，微米尺度的泡孔有效降低了泡孔内气体的对流，从而有效降低了由空气对流引起的热传递，因此高倍率的微孔发泡材料具有依赖于泡孔结构的长期稳定的低导热系数。从北京斯维浩特新材料科技有限公司引进了聚丙烯微孔发泡卷材，厚仅为0.5 mm；珍珠棉具有隔水、防潮、保温、可塑性能佳、韧性强等优点 。
红外线阻隔无纺布，从上海结宜康有限责任公司引进了远红外整理剂JYKFIR-814，这种整理剂是一种主要含有TiO2、SiO2等多种无机金属化合物，经特殊加工制成纳米级粉体，再经特殊分散技术精研磨制成，可应用于纺织面料后整理中使用。在无纺布上涂了一层远红外整理剂JYKFIR-814，可以反射红外辐射，最大限度地阻止温室内热量的散失。
3.2.3 第二方案保温被结构。由图3可见，
第二方案保温被结构从上到下依次为淋膜无纺布、杂羊绒（890 g/m2）、珍珠棉（EPE）（厚10 mm）、针刺无纺布，保温被幅宽2 m，保温被厚25 mm，每平方米重量1.60 kg。
杂羊绒具有天然的立体卷曲特征，加之排列不规则，自然形成了很多细微的空隙，从而使杂羊绒保温被具有蓬松的结构，也表现出比草帘更好的保温性，珍珠棉（EPE）30～40倍高发泡成形产品，每平方米重量仅300 g，重量轻，有一定的坚固性、柔软性和缓冲性，吸水率仅为0.01 mg/cm3，具有优质的防水性，导热率很低，仅0.023 W/（m·K），不受各种气候条件影响，耐气候性优越。所以杂羊绒和珍珠棉的复合达到了保温性、防潮性的最优组合，为了测试淋膜无纺布的防紫外线性能，这种保温被淋膜面朝外，经过室外一个使用周期，这种结构的新型保温被传热系数小、保温性好、保温性持久、稳定。
3.2.4 第三方案保温被结构。由图4可见，
第三方案保温被结构从上到下依次为淋膜无纺布、化纤棉（600 g/m2）、珍珠棉（EPE）（厚4 mm）、针刺无纺布，保温被幅宽2 m，保温被厚23 mm，每平方米重量1.60 kg。
化纤棉具有很好的蓬松结构，原材料为边角废料，是变废为宝的再生资源，来源广、价格便宜、质轻、保温性能良好，是农用保温被首选的芯材。珍珠棉具有保温、质轻、隔潮、防水的功能。化纤棉与珍珠棉组合而成的保温被芯材，完全满足了农用保温被的质轻、保温、价格低廉、防水、隔潮的组合功能。整体保温被除芯材具有的功能外，还具有防雨雪、防紫外线等功能。
3.2.5 第四方案保温被结构。由图5可见，
第四方案保温被结构从上到下依次为淋膜军用基布（淋膜面朝里）、花色强力毡（400 g/m2）、双层喷胶棉（400 g/m2）、珍珠棉（EPE）（厚5 mm）、军用基布，保温被幅宽2 m，保温被厚60 mm，每平方米重量1.60 kg。
淋膜军用基布就是在军用基布上涂上一层塑料薄膜，一般都是高温加热成热熔状态的塑料涂覆在军用基布上冷却形成的产品。喷胶棉主要由线密度为6.6～7.7 dtex 的纯涤纶和废棉絮纤维组成，废棉絮成分复杂，多数是纺织下脚料和回收的破旧混纺或交织布，喷胶棉变形较大，经常卷曲后厚度约减少至原厚度的89.22%，保温防水性能强，但价格较高、花色强力毡作为再生棉材料，其价格较低、抗拉强度高，在一定程度上可以满足日光温室的保温需要，所以与喷胶棉各取优点进行组合，性价比高；珍珠棉具有隔水、防潮、保温、可塑性能佳、韧性强等优点。
3.2.6 第五方案保温被结构。由图6可见，
第五方案保温被结构从上到下依次为淋膜军用基布、化纤棉（1 000 g/m2）、喷胶棉（200 g/m2）、珍珠棉（EPE）（厚2.5 mm）、军用基布，保温被幅宽2 m，每平方米重量1.76 kg。
此方案比第四方案减少了喷胶棉的使用量，增加了化纤棉的使用量，从而保温被的整体价格每平方米下降2～3元。
4 静态试验和室外试验分析
4.1 静态试验
4.1.1
抗拉强度。2016年4月29号青海省产品质量监督检验所对保温被的面料，淋膜无纺布的抗拉强度进行了检测，检测结果为平均20.8 kN/m2，大于青海地标保温被抗拉强度最小值17.0 kN/m2。
4.1.2 保温率。2016年5月9号青海省纤维检验局对保温被的保温率进行了检测，检测结果为：第四方案的芯料为喷胶面保温被的保温率为84.0%，第二方案的芯料为杂羊绒保温被的保温率83.1%，第一方案的芯料为化纤棉+微孔发泡和第三方案芯料为化纤棉保温被的保温率为75.0%，基准方案的牛津布化纤棉保温被的保温率为80.1%。根据检测数据对比，只有喷胶棉、杂羊绒保温被的保温率大于基准保温率，其他方案保温率小于基准保温被。
4.2 室外试验
2015 年10月～2016年3月，在湟中多巴镇玉拉村农业示范园区和大通植物园分别各选了5栋和6栋同一规格、结构的温室作为试验样板棚，在样板棚内，进行相应的技术性能参数测试，使用各种保温被实测棚温的平均值做对比，讨论新型保温被结构设计的合理性和推广应用的可行性；完成了保温被的室外实际应用的动态检测，完成了产品初步定型，实际检测结果如下：
4.2.1 大通植物园。
记录时间段为：2016年1月20日零点至1月30日零点，温室外最高温度5.3 ℃，最低温度-22.7 ℃，平均温度-10.5 ℃。
根据大通植物园保温被实测结果分析（表1），当室外温度最冷为-22.7 ℃时，2号保温被保温效果最好，室内温度达3.6 ℃，当室外平均温度为-10.5 ℃时，室内平均温度为11.3 ℃。其次是4号和1号，室内最低温度2.8和1.7 ℃，室内平均温度分别为10.2和8.8 ℃。最差是0号保温被，也就是对比试验的基准保温被（牛津布化纤棉），虽然它的静态检测保温率为80.1%，可因防水差，遇到雨雪天，保温被的保温率急剧下降，室内最低温度仅为0.5 ℃，室内平均温度为8 ℃；1号保温被因制造成本高，性价比低，不易推广。因此，初步选择2号（芯材为杂羊绒+珍珠棉（EPE））保温被、4号（芯材为喷胶棉+珍珠棉（EPE）+化纤棉）保温被为初步推广应用产品。
4.2.2 湟中多巴镇玉拉村农业示范园区。
记录时间段为：2016年1月20日零点至1月30日零点，温室外最高温度14 ℃，最低温度-24.4 ℃，平均温度-9.3 ℃。
由表2可见，在玉拉村农业示范园区，以该园区已安装使用最多的0号（蓝色淋膜无纺布+化纤棉1 500 g/m2+塑料+无纺布）、1号（蓝色淋膜无
纺布+化纤棉1 000 g/m2+塑料+拉力毡）、2号（黑色淋膜无纺布+化纤棉2 000 g/m2 +拉力毡）保温被作为对比试验的基准保温被，以静态测试保温率高的3号（淋膜军用基布+化纤棉400 g/m2+喷胶棉1 000 g/m2+珍珠棉（EPE）+军用基布）、4号（淋膜无纺布+杂羊绒890 g/m2+珍珠棉（EPE）10 mm+无纺布）保温被作为比试对象。根据湟中玉拉村保温被实测结果分析，当室外温度最冷为-24.4 ℃时，3号保温被保温效果最好，室内最低温度达5.4 ℃，当室外平均温度为零下9.3 ℃时，室内平均温度为14.7 ℃。其次是2号和4号，最差是1号保温被，室内最低温度仅为2.8 ℃；因保温芯层（化纤棉 ）较轻（1 000 g/m2）且密实不够膨松，保温效果较差，3号和4号保温被的主要保温层芯材为：喷胶棉和杂羊绒，疏松多孔，膨松度高，间隙中会充满空气起到一定的保温作用；珍珠棉（EPE）具有隔水、防潮、保温、可塑性能佳、韧性强等功能，使内层芯材不被雨、雪、露水浸湿，保证了内层材料保温能力的充分发挥，起到一定的保温、隔潮作用。所以，3、4号保温被的综合性能高于0、1、2号保温被，2号保温被保温率虽比4号保温被好，但因保温被厚且每平方米的重量在5.0 kg左右，不仅安装调试困难而且对温室骨架强度及卷帘机性能有很高要求，不易推广。因此，根据该园区的对比试验结果分析，初步选择3号（芯材为喷胶棉+珍珠棉（EPE）+化纤棉）
5 结论
静态试验和室外试验结果表明，在制作的 5种保温被中，保温被的主要芯材为喷胶棉+珍珠棉（EPE）+化纤棉和芯材为杂羊绒+珍珠棉（EPE）保温被的保温性优于芯材为化纤棉+塑料的保温被，面料为淋膜无纺布的防水性和机械强度高于牛津布。由此可见，面料为淋膜无纺布，主要芯材为喷胶棉和杂羊绒保温被，具有良好的综合性能，在每平方米重量1.8 kg左右的基准条件下，该研究试制推广的保温被估价约15元/m2，低于目前主流化纤棉保温被15～20元/m2 的价格，有望替代化纤棉保温被。另外，由该研究结果可以发现，保温被的保温性取决于芯材的膨松性和隔热、防潮性，机械强度取决于外层材料的强度特性，这一结论可为保温被制作材料的选择提供参考。
综上所述，理想的保温被应具有传热系数小，保温性好，重量适中，易于卷放，防风性、防水性好，使用寿命长等优点，适合卷帘机配套使用，性价比高等指标。该试验研发的保温被：淋膜军用基布+化纤棉400 g/m2+喷胶棉1 000 g/m2+珍珠棉（EPE）+军用基布和淋膜无纺布+杂羊绒890 g/m2+珍珠棉（EPE）10 mm+无纺布均具备以上指标，可作为今后推广应用的主流保温被。
参考文献
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