二氧化硅氣凝膠制備建筑保溫隔熱材料

張明燦（福建省建筑科學(xué)研究院，福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建 晉江362200）

1 引言

面對國內(nèi)大部分建筑保溫材料品質(zhì)低劣，優(yōu)質(zhì)建筑保溫材料難以廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，本研究針對二氧化硅氣凝膠固態(tài)熱導(dǎo)率低，單獨二氧化硅氣凝膠的塊體固態(tài)傳導(dǎo)較弱的特點[1-3]，有意把二氧化硅氣凝膠應(yīng)用 到建筑保溫材料中，生產(chǎn)出性價比高的優(yōu)質(zhì)建筑保溫材料。但是單獨二氧化硅氣凝膠制成的塊體質(zhì)脆松散、強度低，難以作為塊體使用[3-5]，需要添加合適的支撐材料，以提高其強度[6-7]。廈門大學(xué)以二氧化硅氣凝膠為基體，添加二氧化鈦為紅外遮光劑，E 玻纖為支撐骨架，白色硅酸鹽水泥熟料為黏結(jié)劑，采用注漿成型—常溫常壓干燥工藝（常溫即25℃），制備出二氧化硅氣凝膠隔熱塊體材料[1]；但此法生產(chǎn)周期較長，成本較高，還難以作為中低端的建筑保溫材料使用。

針對上述問題，本研究以價格較為低廉的國產(chǎn)二氧化硅氣凝膠為主體材料，添加E 玻纖為支撐骨架，白色硅酸鹽水泥為粘結(jié)劑，添加少量的礦粉降低水化熱，采用注漿成型工藝，制備低熱導(dǎo)率的建筑保溫隔熱材料。此法生產(chǎn)成本低，周期短，產(chǎn)品的性價比高，對二氧化硅氣凝膠在建筑工程等保溫隔熱領(lǐng)域的廣泛使用具有深遠的意義[1-3]。

2 實驗

2.1 原料、試劑及設(shè)備

二氧化硅氣凝膠（XT，三明匯豐化工公司）；白色硅酸鹽水泥（42.5R，福建武平金鴿白水泥廠）；礦粉（S95，泉州國道建材有限公司），E玻纖（平均直徑f12mm，平均長度9 ～10mm，重慶國際材料有限公司）；無水乙醇（99%，AR，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；自制蒸餾水。本研究采用的原料均無毒。

箱式電阻爐（Sx2-5-12，天津市中環(huán)實驗電爐有限公司）；水泥凈漿攪拌機（NJ-160A，無錫市錫儀建材儀器廠）；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（101-A3，上海東星建材試驗設(shè)備有限公司）；計重電子天平（HAW-15BH，d =0.1g，福州衡之展電子有限公司）；鋼直尺（0-600）mm，d =1mm，上海匯一尺業(yè)有限公司）；磚用卡尺（ZK-1，浙江精密量具有限公司）；微機屏顯液壓萬能試驗機（WE-100，濟南東側(cè)試驗機技術(shù)有限公司）；掃描電鏡（LEO-1530，德國LEO公司）；平板導(dǎo)熱測定儀（PDR-II-3030，沈陽微特應(yīng)用技術(shù)開發(fā)有限公司）；數(shù)字單通道系統(tǒng)源表（2611 美國吉時利儀器公司）。

表1 樣品經(jīng)600℃處理0.5h 的密度D 值

2.2 生坯的制備

將白色硅酸鹽水泥和礦粉過f0.9mm 的篩，取篩下物置于105℃的恒溫干燥箱中干燥0.5h。E 玻纖在箱式電阻爐中580℃處理0.5h。

取60 份二氧化硅氣凝膠XT，每克XT 加10ml 水，用手工攪拌制成料漿A；取2 份E 玻纖緩慢加入攪拌中的料漿A 制成料漿B；取32 份白色硅酸鹽水泥和6 份礦粉，每克水泥和礦粉混合物加3ml 無水乙醇，獲懸濁液C；把懸濁液C緩慢加入攪拌中的料漿B，用手工繼續(xù)攪拌所獲得的料漿D；對料漿D 加水稀釋[每克固體原材料（XT、E 玻纖白色硅酸鹽水泥和礦粉的總和）約用2ml 水]以調(diào)節(jié)粘度，攪拌均勻后注入自制模具，制成不同尺寸生坯。

2.3 生坯的干燥和熱處理

生坯在常溫常壓下靜置24 ～72h；脫模；生坯繼續(xù)在60℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保溫2h后，在箱式電阻爐中600℃處理0.5h，制備出待測試的塊體樣品。

2.4 樣品性能表征

制備尺寸100mm ×100mm×100mm 的樣品，用電子天平、鋼直尺和測厚儀測樣品D 值。制備尺寸100mm ×100mm×100mm 的樣品，用電子萬能試驗機以2.4KN/S 的速率對樣品施加壓力，測樣品抗壓強度M 值。采用掃描電鏡觀察樣品斷面微觀結(jié)構(gòu)。通過Heat Flow Meter Instrument 采用熱平板（hot-plate）法測試尺寸為300mm ×300mm × 30mm（2 塊）樣品常溫下的熱導(dǎo)率λ。通過數(shù)字單通道系統(tǒng)源表采用四線（4-wire）法，施加電壓200V，測樣品常溫體積電阻率ρ。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 樣品的密度D 和外觀

如表1 所示，本研究制備的樣品D =230kg·m-3，比美國標(biāo)準(zhǔn)（ASTM C533-85）中提到的絕熱制品的密度指標(biāo)D = 240kg·m-3還低，具備生產(chǎn)成為優(yōu)質(zhì)建筑保溫隔熱材料的性能[8-9]。

但是，在制備樣品的過程中，白色硅酸鹽水泥水化后，水化熱過高容易使坯體與模具接觸的底部形成較大的裂縫，如圖1 所示。本研究摻入一定量的礦粉，降低水化熱使樣品不開裂，表面平整外觀如圖2 所示。

圖1 本研究未添加礦粉制備樣品的外觀圖

表2 樣品經(jīng)600℃處理0.5h 的壓縮強度M

圖2 本研究添加礦粉制備樣品的典型外觀

3.2 樣品的壓縮強度M

如表2 所示，常溫下密度為230kg·m-3樣品測得的平均值R = 2.0MPa；此數(shù)值遠高于單獨氣凝膠（D = 112kg·m-3）的0.018MPa[10]；也比添加纖維后自然干燥后的樣品的R = 0.41MPa高很多[9-11]。

這是因為E 玻纖無規(guī)則穿插樣品中，作為材料支撐骨架；且水泥水化后，具有很高的水化體強度[1-3]；再者，坯體干燥收縮，也會導(dǎo)致樣品密實[12-13]。這三者導(dǎo)致了樣品的M 值明顯地提高。

表3 經(jīng)600℃處理0.5h 樣品的熱導(dǎo)率λ

表4 經(jīng)600℃處理0.5h 樣品在200V 下的常溫體積電阻率ρ

3.3 樣品的熱導(dǎo)率

表3 是用熱平板法測得的真空條件下的樣品熱導(dǎo)率λv 與常壓下的熱導(dǎo)率λn。表中樣品常溫下λn = 0.52W·m-1·K-1；常溫下，樣品抽真空后λv 急劇下降至0.033W·m-1·K-1。

由于樣品的熱傳導(dǎo)主要由紅外輻射傳熱、固態(tài)傳導(dǎo)和氣態(tài)傳導(dǎo)三個部分構(gòu)成[1,14,15]。根據(jù)波耳茲曼定律，紅外輻射傳熱系數(shù)與絕對溫度的4 次方成正比[1,16]。而二氧化硅氣凝膠本身具有極低紅外輻射傳熱系數(shù)[1,17]。所以，在較低溫度時，紅外輻射傳熱低，熱傳導(dǎo)主要以固態(tài)傳導(dǎo)和氣態(tài)傳導(dǎo)為主[1,19-20]。二氧化硅氣凝膠本身熱導(dǎo)率低，納米粉與微米粉形成微小（微米孔或納米孔）的閉氣孔，導(dǎo)致氣體無法對流，熱導(dǎo)率下降[20]。樣品抽真空后，氣態(tài)對流傳熱大大降低，導(dǎo)致λv急劇下降[1,21]。本樣品常溫常壓下和真空下熱導(dǎo)率低，可用于節(jié)能建筑和制冷設(shè)備等領(lǐng)域[1,21]。

3.4 樣品的常溫體積電阻率ρ

表4 是經(jīng)600 ℃處理0.5h 樣品在200V 下的常溫體積電阻率ρ。由表可知，樣品平均ρ值 為1.61×1011Ω·cm，符合文獻[22]提到一般固體和液體絕緣材料 的ρ 值（ 約 為108～1018Ω·cm）[22]和文獻[23]提到絕緣材料的ρ 值（約為108 ～1021Ω·cm）[23]。

4 結(jié)論

1）以白色硅酸鹽水泥熟料為粘結(jié)劑，用E玻纖為支撐骨架，添加二氧化鈦為紅外遮光劑，摻入礦粉降低水化熱，采用注漿成型工藝，制備出低熱導(dǎo)率的建筑保溫材料，其25℃時λn =0.052W·m-1·K-1；原料和樣品均無毒，性價比高，對產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

2）樣品D =230kg·m-3，R =2MPa；常溫下樣品λn = 0.052W·m-1·K-1，常溫下樣品抽真空后λv = 0.033W·m-1·K-1，適合作為優(yōu)質(zhì)的建筑保溫隔熱材料進行產(chǎn)業(yè)化。

3）樣品ρ ?1.61×1011Ω·cm，處于一般固體和液體絕緣材料的ρ 值（108 ～1018Ω·cm）范圍內(nèi)。

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