界面耦合技術(shù)在保溫材料中的應(yīng)用

丁 慶， 申 天 游， 羅 安 凱， 楊 代 六， 田 先 忠， 趙 鴻 遠(yuǎn)

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072；2.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司國(guó)際公司，天津 武清 037100)

界面耦合技術(shù)在保溫材料中的應(yīng)用

丁 慶1， 申 天 游1， 羅 安 凱2， 楊 代 六1， 田 先 忠1， 趙 鴻 遠(yuǎn)1

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072；2.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司國(guó)際公司，天津 武清 037100)

復(fù)合材料是新材料研究的熱點(diǎn)。而復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)對(duì)其性能起著至關(guān)重要的作用，對(duì)界面過(guò)渡區(qū)域的研究已經(jīng)取得了很多的成果。介紹了一種基于界面研究理論的界面耦合處理技術(shù)，通過(guò)其在復(fù)合保溫材料中的應(yīng)用，明顯地改善了保溫材料的微觀結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度性能。

界面耦合；保溫材料；強(qiáng)度

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高。雖然國(guó)家在大力發(fā)展水電、太陽(yáng)能、風(fēng)電等清潔能源，但是目前仍然沒(méi)有改變我國(guó)以火電為主的能源結(jié)構(gòu)。為了減少化石燃料使用量，建筑結(jié)構(gòu)的保溫可以對(duì)節(jié)能起到很大的作用。保溫材料的研究和應(yīng)用，必將在未來(lái)有更大的市場(chǎng)和發(fā)展空間。

現(xiàn)階段保溫材料種類(lèi)豐富，性能各異，但是存在的一個(gè)最大問(wèn)題是：保溫材料的強(qiáng)度都很差，這是由其結(jié)構(gòu)、保溫原理帶來(lái)的天生缺陷。因?yàn)榻^大部分保溫材料的原理是利用空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，通過(guò)各種手段引入氣體來(lái)減少熱橋，從而降低其整體導(dǎo)熱系數(shù)，但引入空氣會(huì)降低材料受力時(shí)的有效截面積，從而造成其有效強(qiáng)度下降。

筆者所進(jìn)行的研究是采用界面耦合處理技術(shù)研究改善界面作用以及對(duì)保溫材料性能的影響。

1 界面及界面理論

復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化、構(gòu)成彼此結(jié)合能傳遞載荷作用的微小區(qū)域。界面是不同于兩邊相態(tài)的實(shí)體，有獨(dú)立的相，占一定的空間，有固定的位置，具有一定的厚度，物質(zhì)的組分和能量可以通過(guò)這個(gè)區(qū)域從一個(gè)相連續(xù)地變化到另一個(gè)相。也就是說(shuō)：兩相之間并不存在截然分開(kāi)的分界面,相與相間是一個(gè)逐步過(guò)渡的區(qū)域，界面區(qū)的結(jié)構(gòu)、能量、組成等都呈現(xiàn)連續(xù)的梯度變化。界面是材料物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生空間突變的二維區(qū)域,是材料中普遍存在的結(jié)構(gòu)組成單元。材料的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性均與材料的界面有著非常密切的關(guān)系。材料的很多破壞和失效亦首先起源于界面，如加載應(yīng)力的傳遞不可避免地通過(guò)界面與基體的相互作用進(jìn)行。

界面是決定復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，亦是復(fù)合材料研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題。

關(guān)于界面作用機(jī)理，其主流的理論研究如下：

(1)界面浸潤(rùn)理論。

1963年，Zisman提出了界面浸潤(rùn)理論。主要觀點(diǎn)為填充材料被基體材料良好的浸潤(rùn)對(duì)復(fù)合材料的性能是極其重要的，當(dāng)潤(rùn)濕不良產(chǎn)生時(shí)，填充材料與基體之間的界面會(huì)產(chǎn)生空隙，當(dāng)復(fù)合材料受力時(shí)，空隙處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開(kāi)裂。當(dāng)完全潤(rùn)濕時(shí)，填充材料與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚力。根據(jù)界面浸潤(rùn)理論可知：改善復(fù)合材料的性能需要增加基體材料的浸潤(rùn)性能，在實(shí)際生活中，通常選擇對(duì)填充材料表面改性的方式來(lái)改善其與基體之間的潤(rùn)濕性能，也可以通過(guò)改變基體組分的方式來(lái)改善其相互之間的潤(rùn)濕性。

(2)化學(xué)鍵理論。

化學(xué)鍵理論是指填充材料與基體材料之間通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成共價(jià)鍵、或者通過(guò)既能與基體反應(yīng)，也可以和填充材料反應(yīng)的偶聯(lián)劑形成界面。理論上可以獲得最大的界面粘結(jié)能。

(3)物理吸附理論。

當(dāng)填充材料與基體之間帶有不同性質(zhì)的電荷時(shí)，將產(chǎn)生靜電吸引，但其作用范圍僅限于原子尺寸范圍內(nèi)。

(4)變形層理論。

增強(qiáng)材料表面經(jīng)過(guò)處理后，在其界面上形成一個(gè)塑性層，受力時(shí)可以松弛并減小應(yīng)力，這一理論被稱(chēng)為變形層理論。

界面耦合技術(shù)即是基于以上理論研究，對(duì)填充材料進(jìn)行處理后以最大的程度與基體材料無(wú)隙結(jié)合的一項(xiàng)處理技術(shù)。

2 保溫材料的界面

保溫材料可以大體分為無(wú)機(jī)保溫材料、有機(jī)保溫材料和復(fù)合保溫材料。

2.1 無(wú)機(jī)保溫材料

2.1.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土是通過(guò)發(fā)泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經(jīng)過(guò)發(fā)泡機(jī)的泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成型，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料。泡沫混凝土具有輕質(zhì)、保溫隔熱性能好、隔音耐火性能好、低彈減震性好、生產(chǎn)加工方便、環(huán)保性能好、施工方便等優(yōu)良的綜合性能，是我國(guó)無(wú)機(jī)保溫材料中應(yīng)用最為廣泛的材料之一。但是，泡沫混凝土依然存在強(qiáng)度較低、易開(kāi)裂、開(kāi)裂后吸水嚴(yán)重等問(wèn)題。

2.1.2 無(wú)機(jī)保溫砂漿

無(wú)機(jī)保溫砂漿是以低密度多孔無(wú)機(jī)顆粒、粉末或短纖維為輕質(zhì)骨料，通過(guò)添加一定的膠凝材料及其他多元復(fù)合外加劑，按一定比例、經(jīng)一定工藝制成的保溫抹面材料。無(wú)機(jī)保溫砂漿具有質(zhì)輕、隔熱、保溫、不燃、抗老化、耐腐蝕、耐蟲(chóng)蛀、對(duì)人畜無(wú)害等優(yōu)良特性，以及施工方便和價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。但是，由于其尚存在一些問(wèn)題，比如材料容重稍差、保溫隔熱性能稍差、吸水率較大、和易性稍差等，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

綜上可以看出：無(wú)機(jī)保溫材料強(qiáng)度較差，吸水率較大，保溫性能一般。既使采用閉孔的空心玻璃微珠或粉煤灰漂珠，以及無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合膠材，無(wú)機(jī)保溫砂漿的強(qiáng)度、吸水率仍然改善不大。從SEM微觀分析(圖1)可以看出：在低放大倍數(shù)下，無(wú)機(jī)保溫砂漿填充了緊密排列，宏觀表現(xiàn)致密。然而，隨著放大倍數(shù)的依次增大，可以明顯地看出在填充漂珠之間存在著數(shù)量眾多的空隙，表現(xiàn)為漂珠界面嚴(yán)重缺膠，當(dāng)保溫砂漿受到外力壓迫時(shí)，膠凝材料將力傳到材料內(nèi)部。由于膠凝材料與填料之間為點(diǎn)接觸，接觸面積較少，相應(yīng)的接觸點(diǎn)應(yīng)力很大，很容易被破壞；接觸點(diǎn)被破壞之后，填料漂珠只承擔(dān)縱軸向的受力，從而非常容易被破壞。遇水時(shí)情況類(lèi)似，填料與基體之間的空隙為水分的進(jìn)入和滲透留下了通道，從而導(dǎo)致其保溫性能和耐久性下降。

2.2 有機(jī)保溫材料

有機(jī)類(lèi)保溫材料主要來(lái)源于石油副產(chǎn)品，包括發(fā)泡聚苯板(EPS)、擠塑聚苯板(XPS)、噴涂聚氨酯(SPU)以及聚苯顆粒等。有機(jī)類(lèi)外墻保溫系統(tǒng)占據(jù)了我國(guó)當(dāng)前外墻保溫市場(chǎng)75%以上的份額。

在水工行業(yè)，大壩保溫目前以EPS和XPS為主，也有噴涂聚氨酯應(yīng)用的案例，取得了比較好的保溫效果，但同樣存在強(qiáng)度不高、抵抗外界作用力能力較弱的缺點(diǎn)。若在其安裝或使用過(guò)程中遇到碰撞或河流漂浮物的撞擊，很容易造成保溫層表面破損而導(dǎo)致其進(jìn)水，最終導(dǎo)致保溫失效或整體從壩面被撕開(kāi)。因此，在保證足夠保溫性能的前提下，提高其保溫材料強(qiáng)度具有十分重要的意義。

從掃描電鏡圖片(圖2)可以看出：硬泡聚氨酯保溫材料微觀結(jié)構(gòu)為互相緊密排列的帶壁氣泡，氣泡顆粒之間的微小空隙也被更小尺寸的氣泡顆粒填充，形成級(jí)配良好的密堆積結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)有利于其內(nèi)部均勻傳遞分布應(yīng)力，提高其抵抗外力的能力。同時(shí)可以看到：每個(gè)微觀球體單元上均有薄膜或開(kāi)口現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能會(huì)造成小球體單元受力失衡，且有機(jī)材料本身抗壓能力有限，進(jìn)而造成硬泡聚氨酯強(qiáng)度有限。

3 高強(qiáng)復(fù)合保溫材料及其性能

3.1 高強(qiáng)復(fù)合保溫材料的制備原理

由于硬泡聚氨酯保溫材料具有良好的保溫能力和較高的基礎(chǔ)強(qiáng)度，為了得到既能滿足保溫性能，又能具有較高抗外力能力的保溫材料，筆者最終選擇了采用硬泡聚氨酯并對(duì)其進(jìn)行改性的方案。

由圖3可以看出：硬泡聚氨酯由于其固有的發(fā)泡機(jī)理而造成小球單元薄壁存在開(kāi)口且壁材較為軟弱。為了提高強(qiáng)度、同時(shí)不明顯削弱其保溫能力，我們選擇采用硬質(zhì)空心材料作為填料。然而，硬質(zhì)空心材料均為無(wú)機(jī)相，與聚氨酯有機(jī)相結(jié)合能力一般。直接復(fù)合得到的材料微觀結(jié)果見(jiàn)圖3，從圖3可以看出：硬質(zhì)空心材料在聚氨酯體系中分布，斷面出現(xiàn)許多凹坑，表明其破碎過(guò)程中有很多硬質(zhì)空心小球是被拔出而分離，說(shuō)明硬質(zhì)空心小球與聚氨酯基體的粘結(jié)能力一般。圖3右側(cè)的圖片可以印證此結(jié)論。1 600倍放大時(shí)，可以明顯地看到填充物與基體材料之間的微小間隙。

圖1 保溫砂漿SEM示意圖

圖2 聚氨酯硬泡SEM示意圖

圖3 硬泡聚氨酯/硬質(zhì)空心球復(fù)合保溫材料示意圖

圖4是經(jīng)過(guò)表面耦合技術(shù)處理的硬質(zhì)空心小球與硬泡聚氨酯復(fù)合而成的保溫材料，從圖4中可以明顯看出：小球與基體結(jié)合的相當(dāng)緊密，其表面光滑過(guò)渡，結(jié)構(gòu)完整，破碎面聚氨酯基體與硬質(zhì)空心小球同時(shí)發(fā)生橫向斷裂，說(shuō)明在破壞之前，聚氨酯基體與填料的共同受力最終超過(guò)了極限而同時(shí)發(fā)生破壞，應(yīng)力傳導(dǎo)充分。微觀致密的結(jié)構(gòu)不僅有利于強(qiáng)度的提高，而且由于其整體基本完成、不存在通孔或裂縫，其抗?jié)B能力也得到了大幅度地提高。

圖4 表面耦合技術(shù)處理后的微觀效果圖

圖5 保溫材料結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖5為保溫材料細(xì)觀示意圖，可以理解為膠凝材料基體與減輕(填料)成分的復(fù)合材料，減輕材料可以為空氣、輕質(zhì)空心材料等。圖6為膠凝材料基體與減輕材料界面結(jié)合方式圖。圖6(a)所示基體材料與減輕材料之間為空氣，表現(xiàn)為基體材料無(wú)法與減輕材料相結(jié)合，現(xiàn)在所使用的絕大部分保溫砂漿材料內(nèi)部均為這種結(jié)合方式，其所含空氣界面層無(wú)法抵御任何外力，只能靠機(jī)械咬合力，非常容易破壞，所以，大部分保溫砂漿的強(qiáng)度不會(huì)超過(guò)1 MPa。采用與基體相親的材料或者對(duì)減輕材料使用偶聯(lián)劑處理，均可以改善界面接觸情況，如圖6b及6c所示，界面層存在范德華力，氫鍵或者電荷作用使得界面能夠承受較大的載荷。而高強(qiáng)保溫材料在偶聯(lián)界面的基礎(chǔ)上引入的活性化學(xué)改性劑可以在保溫材料基體與減輕材料之間形成新的化學(xué)交聯(lián)，同時(shí)，由于存在偶聯(lián)長(zhǎng)鏈分子，在其受力過(guò)程中可以有有限距離的位移滑動(dòng)，以保證保溫材料具有一定的抗沖擊性能；當(dāng)受力程度增大，位移過(guò)大，超過(guò)長(zhǎng)鏈分子的長(zhǎng)度，化學(xué)鍵力可以保證其界面具有較強(qiáng)的連接，故高強(qiáng)保溫材料具有很高的強(qiáng)度。而界面層如果只存在偶聯(lián)作用，偶聯(lián)分子極有可能在受力不是非常強(qiáng)的情況下被拔出而導(dǎo)致界面鏈接失效。

a.不緊密接觸 b.范德華力及氫鍵接觸

c.偶聯(lián)劑接觸 d.化學(xué)鍵接觸圖6 界面結(jié)合方式示意圖

3.2 保溫材料的性能

基于界面耦合技術(shù)研發(fā)的復(fù)合保溫材料的基本性能見(jiàn)表1。

表1 基于界面耦合技術(shù)研發(fā)的復(fù)合保溫材料基本性能表

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于復(fù)合保溫材料來(lái)說(shuō)，界面過(guò)渡區(qū)域的性能是決定其整體性能的關(guān)鍵。筆者通過(guò)分析認(rèn)為：傳統(tǒng)的保溫材料強(qiáng)度差、耐用性不好的關(guān)鍵原因就在于其界面區(qū)域的處理不理想，存在過(guò)多的空隙氣泡，嚴(yán)重劣化了復(fù)合保溫材料的整體性能；提出了通過(guò)界面耦合技術(shù)處理復(fù)合保溫材料，可以提高復(fù)合材料組分之間的親和性，減少填料與基體之間的空隙，在不影響保溫能力的情況下，能夠大幅度提高復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，從而有效拓展了保溫材料的應(yīng)用范圍。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV41

B

1001-2184(2017)01-0064-05

丁 慶(1987-)，男，湖北孝昌人，工程師，碩士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

申天游(1989-)，男，重慶銅梁人，助理工程師，學(xué)士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

羅安凱(1985-)，男，四川成都人，工程師，碩士，從事水工混凝土材料研究；

楊代六(1973-)，男，重慶銅梁人，室主任，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

田先忠(1968-)，男，湖北宜昌人，副室主任，高級(jí)工程師，碩士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

趙鴻遠(yuǎn)(1975-)，男，四川成都人，助理工程師，從事水工混凝土材料研究.