热绝缘材料对包装性能影响的研究综述：从实验到建模的全面评估

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热绝缘材料对包装性能影响的研究综述：从实验到建模的全面评估（DOI: 10.1002/pts.2500）

随着冷链物流和温控运输需求的不断增长，如何通过优化包装结构和材料来提升热绝缘性能，成为保障温敏产品质量和安全的关键。本文基于Wang等人发表于《Packaging Technology and Science》的研究，系统梳理了不同热绝缘材料在运输包装中的应用效果，重点分析了材料导热系数、厚度、表面发射率以及环境温度对最大保温时间（MIT）的影响。研究表明，采用高性能材料如气凝胶（Aerogel Blanket）和聚异氰脲酸酯（PIR）板，可显著提升单位厚度下的保温性能，而铝箔等低发射率材料的应用也能有效增强热反射能力，延缓热量传入。研究还验证了瞬态热模型的准确性，为包装设计提供了高效、低成本的仿真工具。

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关键词：热绝缘包装；气凝胶；最大保温时间；表面发射率；导热系数；建模

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一、引言
在现代物流中，温敏产品（如生鲜食品、疫苗、生物制剂）对运输过程中的温控要求极高。传统包装材料如聚乙烯（PE）和发泡聚苯乙烯（EPS）虽然成本低廉，但在长距离运输或高温环境下，其热绝缘性能逐渐暴露出局限性。因此，开发高效、轻量、可持续的热绝缘包装成为研究热点。

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二、研究方法概述
本研究结合实验测试与数学建模，系统评估了多种热绝缘材料在实际包装中的性能表现。研究采用了以下方法：

• 实验测试：依据ASTM D3103-14标准，测试不同材料内衬的纸箱在控制环境下的最大保温时间（MIT），即从−20°C升温至5°C所需时间。
• 建模分析：采用课题组前期开发的瞬态热模型，综合考虑导热、对流与辐射三种热传递机制，模拟包装内部温度随时间的变化。
• 参数测量：使用热流计测定材料导热系数，红外测温法测定表面发射率，确保模型输入参数的准确性。
  

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三、主要发现
1. 材料导热系数对保温性能影响显著研究比较了PE、EPS、PIR和气凝胶毯等材料的导热系数与MIT之间的关系。结果表明：

• 气凝胶毯（导热系数约16.2 mW/m·K）和PIR板（24.6 mW/m·K）在单位厚度下的保温性能分别比EPS高出106%和79%。
• 导热系数越低，MIT随厚度增加的提升越明显，但存在性能饱和点。
  

2. 表面发射率对热辐射传递影响大通过在内衬表面添加铝箔或Mylar膜（低发射率材料），可显著降低辐射热传递：

• 在PE内衬表面添加铝箔后，MIT提升46%。
• 模型预测与实验结果吻合良好，误差小于10%。
  

3. 环境因素不可忽视外部环境温度对MIT有显著影响：

• 随着环境温度从20°C升高至80°C，所有材料的MIT均呈对数下降趋势。
• 高温环境下，高性能材料（如气凝胶）仍保持相对优势，但绝对保温时间显著缩短。
  

4. 模型验证结果良好瞬态热模型成功复现了包装内部温度变化的三个阶段（显热升温—潜热平台—再升温），与实验数据的误差控制在11%以内，验证了模型在包装设计中的实用性。

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四、材料性能对比总结
在上述研究中，作者对几种常见的热绝缘包装材料进行了系统的性能对比。实验结果显示，发泡聚苯乙烯（EPS）作为一种广泛使用的传统材料，其导热系数为42.5 mW/m·K，厚度为24.38 mm，被作为性能评估的基准。相比之下，聚乙烯（PE）的导热系数更高，达到61.0 mW/m·K，厚度为27.45 mm，其单位厚度下的最大保温时间（MIT）低于EPS，表明其保温性能相对较差。而聚异氰脲酸酯板（PIR）则表现出更优的绝缘性能，其导热系数为24.6 mW/m·K，厚度为25.42 mm，相比EPS在单位厚度下的MIT提升了79%，在性能和成本之间取得了良好平衡。性能最优异的是气凝胶毯（AB），其导热系数仅为16.2 mW/m·K，厚度为9.42 mm，在单位厚度下的MIT比EPS高出106%，虽然成本较高，但在对保温要求极高的应用场景中具有明显优势。综上所述，不同材料在导热性能、厚度效率和成本方面各有特点，选择时应根据具体需求和预算进行权衡。
五、结论与展望
本研究系统评估了热绝缘材料在包装中的应用效果，得出以下结论：

• 材料选择至关重要：低导热系数材料（如气凝胶、PIR）可显著提升保温性能，适用于高附加值产品的运输。
• 结构设计需优化：通过添加反射层（如铝箔）或增加厚度，可在不更换材料的前提下提升性能。
• 建模工具具备实用性：瞬态热模型可作为包装设计阶段的预测工具，降低试错成本。
• 环境控制不可忽视：在高温环境下，即便是高性能材料也难以长时间维持低温，需配合冷链运输系统使用。
  

未来研究可进一步探索以下方向：

• 开发可降解或可回收的高性能热绝缘材料；
• 结合**相变材料（PCM）**与高性能隔热层，实现温度主动调节；
• 引入机器学习算法优化包装结构参数组合，实现个性化设计。