非金屬礦物材料在無機保溫材料中的應用及進展

張紅林，王翠翠，楊 輝，南 瑤，王 鴿

（1.咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712021；2.陜西科技大學，陜西 西安 710021）

近年來，能源問題日益嚴峻，已成為世界各國關注的焦點。建筑能耗在社會總能源消耗中占比約為30%～40%，絕大部分是因為采暖和空調消耗的能源。因此，研究建筑保溫隔熱材料，實現建筑節能減排具有重要意義[1]。

保溫材料通常為多孔材料，具有較高的隔熱性能，通過降低導熱系數來實現保溫隔熱，一般封閉氣孔越多，材料的保溫隔熱性能越好。目前，市場現有很多保溫材料存在保溫隔熱、耐久、阻燃、施工等性能無法協調的問題，不能滿足建筑保溫的要求，因此，尋求與研究一種能大大提高保溫材料隔熱性能的新型無機材料仍是目前建筑保溫材料的重要課題。

1 保溫材料的分類

保溫材料有按材質、使用溫度、形態、結構等多種分類方式。通常按材質將保溫材料分為有機保溫材料、無機保溫材料、復合保溫材料三類。其中以聚苯顆粒、發泡聚苯板(EPS)、擠塑聚苯板(XPS)、酚醛泡沫等為代表的有機保溫材料因保溫性能好、吸水率低、生產成本低等優勢占據了較大的市場份額(85%以上)[2-5]，而巖棉板、玻化微珠砂漿、發泡水泥、泡沫玻璃、發泡陶瓷等無機保溫材料和膠粉聚苯顆粒保溫漿料、玻化微珠EPS板、顆粒復合漿料等復合保溫材料由于保溫、吸水、施工等性能缺陷和生產成本高等因素，實際應用量較低。

2 保溫材料的選材要求

保溫材料是一種減緩由傳導、對流、輻射產生的熱流速率的材料，導熱系數是其最重要的性能指標，導熱系數越小，材料保溫性能越好[4]。僅就一般的居民建筑外墻的保溫而言，使用保溫圍護材料后，比沒有使用保溫材料的建筑節能40%～70%，因此開發和應用高效的保溫絕熱材料是建筑節能的有效措施。

保溫就是要最大限度地阻抗熱流的傳遞，因此要求絕熱材料必須具有大的熱阻和小的導熱系數。從材料的組成上看，一般有機高分子的導熱系數都小于無機材料；非金屬的導熱系數小于金屬材料；氣態物質的導熱系數小于液態物質；液態物質小于固體。

從材料的結構上看，當材料的表觀密度降低、孔隙率增大、孔隙為大量封閉微小孔時，材料的導熱系數會比較小。如泡沫塑料制品，要滿足保溫絕熱材料的要求，其最佳的表觀密度為16～40kg/m3。由于孔隙的存在，材料在潮濕環境下易吸水，而水的導熱系數(0.581 5W/m/K)比靜止空氣的導熱系數(0.023 3W/m/K)要大很多，因此，當環境濕度增大時，材料的平衡含水率增大，導熱系數將會降低。因此作為保溫絕熱材料，其自身的吸水率要盡量低，必要時需對材料進行憎水處理或用防水材料包覆。另外，保溫絕熱材料還必須能抵抗一定的沖擊荷載，具有與使用環境相一致的力學強度，粘結性能要好，收縮率小，具有與環境相適應的耐久性。

3 非金屬礦物材料在無機保溫材料中的應用

隨著有機保溫材料易燃燒、易老化、安全性差等問題的凸顯，無機保溫材料作為一種難燃材料便成為保溫行業發展的重要方向，如何降低無機保溫材料的導熱系數及吸水率也成為了科研工作的重點，非金屬礦物材料作為無機保溫材料的主要原料，也備受關注。下面以幾種不同類型非金屬礦物材料為例，介紹非金屬礦物材料在無機保溫材料中的應用。

3.1 礦物棉

礦物棉是巖(礦)棉和玻璃棉的統稱，是一種纖維狀非金屬礦物材料，具有質輕、熱導率低(導熱系數為0.034W/m/K)、耐腐蝕、化學性能穩定、難燃等特性。礦物棉是由玄武巖、輝綠巖、高爐礦渣或玻璃高溫熔融，離心甩絲而制成，生產成本相對較高[3，6]。礦物棉在國外建筑保溫中應用較多，生產應用技術相對較成熟，在建筑工程上可用于外墻體、屋面、門窗等，也可用于熱力設備及管道的保溫。為解決礦物棉吸水率高的缺陷，滿足使用要求，礦物棉多以復合保溫材料的形式應用。陳攻等[7]以巖棉、鋁箔、憎水劑為原料，經處理、復合成型、干燥等制備得到巖棉復合保溫材料，使保溫材料的熱輻射損失降低，熱效率提高。萬橋[8]以巖棉保溫板、冷拔低碳鋼絲、聚合物砂漿等材料設計了熱工性能良好的巖棉復合型保溫模板，能夠滿足建筑保溫工程的要求。從當前礦物棉研究和應用的趨勢來看，復合是其發展的必由之路。

3.2 膨脹珍珠巖

膨脹珍珠巖是一種多孔非金屬礦物，是由珍珠巖在高溫條件下膨脹而成，具有無毒無味、保溫、抗腐蝕、耐高溫、難燃等特性，在建筑等多個領域均有廣泛應用。膨脹珍珠巖在建筑領域直接填充涂抹在墻體或屋頂，或以板材形式裝配在墻面，從而對建筑物起到隔熱保溫的作用[9]。隨著研究工作的深入，膨脹珍珠巖制品也發展出了許多種類，如水玻璃膨脹珍珠巖制品、水泥膨脹珍珠巖制品、磷酸鹽膨脹珍珠巖制品、瀝青膨脹珍珠巖制品、膨脹珍珠巖泡沫玻璃等。馮武威等[10]利用礦物聚合法，以膨脹珍珠巖為主要原料，以富鉀鋁硅酸鹽巖的焙燒熟料作配料，摻以少量的煅燒高嶺石或粉煤灰制備出了表觀密度、抗壓強度、質量含水率、導熱系數等滿足標準的新型膨脹珍珠巖保溫材料。李剛等[11]以膨脹珍珠巖和碎玻璃為主要原料制備得到了隔熱保溫性能較好的膨脹珍珠巖泡沫玻璃。膨脹珍珠巖具有良好的保溫性能，但其較高的吸水率和粉化率又制約著其保溫性能的發揮，因此要發揮好其特性，還需要做好憎水改性及膠凝材料的研究和開發。

3.3 玻化微珠

玻化微珠是具有表面玻化層的多孔非金屬礦物材料，是利用松脂巖型的珍珠巖高溫加工而成，與膨脹珍珠巖相比，玻化微珠具有內部孔隙的同時，表面還有玻化層，因此克服了膨脹珍珠巖吸水率大、易粉化、在料漿攪拌中體積收縮率大的缺陷，因此被用作保溫砂漿的重要材料之一[12]。玻化微珠保溫砂漿是一種適用于建筑內外墻粉刷的新型保溫節能砂漿材料，是以玻化微珠顆粒和膠凝材料等共同構成的干粉砂漿，具有防火防凍、節能利廢、耐老化、價格低廉和保溫隔熱等特點[13]。李小龍等[14]以玻化微珠和珍珠巖為輕質骨料，水泥和粉煤灰為粘結劑以及適量的VAE乳液和纖維，制備出保溫性能和施工性能較優的玻化微珠保溫板。雖然玻化微珠比膨脹珍珠巖部分性能有優化，但目前其加工工藝還不夠完善，玻化微珠的玻化率還達不到要求，還需要進一步改進提升。

3.4 海泡石

海泡石是一種纖維狀多孔非金屬礦物材料，具有極大的比表面積(理論值900m2/g)，由于海泡石的簇狀纖維中存在大量的納米級微孔和中孔孔道，因此海泡石具有高效的隔熱作用，其次海泡石還具有可塑性強、粘結性能好、不燃、耐久性好、無毒無害等特性。利用海泡石耐高溫、隔熱、濕時柔軟干時堅硬的特點，以磷酸鹽型粘結劑為膠結材料，復合其他隔熱填充材料，制備出磷酸鹽高溫粘結型保溫涂料，具有優異的保溫性能[15]。李美棟等[16]以膨脹珍珠巖、海泡石、纖維、纖維素、丙烯酸等材料，復合制備出多功能外墻保溫涂料，具有較好的保溫性能及應用強度。東華大學的杜紅波[17]以海泡石、丙烯酸、膨脹蛭石等為原料，研制出一種復合型環保隔熱涂料，熱阻隔性和熱反射性都具有一定優勢。由此可以看出，海泡石是一種很好的保溫基料，與其他輔料合理配合即可得到性能較佳的保溫涂料，因此，未來應用前景較為廣闊[18]。

3.5 膨脹蛭石

膨脹蛭石是一種層狀多孔非金屬礦物材料，是由蛭石經過高溫焙燒而制成的，具有良好的隔熱、耐火、耐凍、吸附等性能。與其他材料混合加工后可以制備出性能更優良的保溫隔熱材料。膨脹蛭石在建筑業中應用的主要制品有膨脹蛭石保溫干粉砂漿、蛭石混凝土、膨脹蛭石灰漿、水玻璃膨脹蛭石制品、蛭石保溫隔音板、瀝青膨脹蛭石制品等，對建筑物的保溫隔熱起到顯著的作用[18-19]。馬玲等[20]以膨脹蛭石為輕質骨料，與玻化微珠復合配制成復合無機保溫砂漿，使保溫砂漿的抗壓強度、導熱系數、軟化系數等指標得到優化。習永廣等[21]采用膨脹蛭石、石膏復合制備得到無機保溫板，通過研究指出膨脹蛭石的片徑對保溫材料的密度、導熱系數、強度有著較大影響，同時，不同的膨脹方式，也會影響到膨脹蛭石的應用性能。目前，我國膨脹蛭石的生產工藝還較為落后，為更好的發揮膨脹蛭石的優越性能，還需加強制備工藝的研究和優化。

3.6 硅藻土

硅藻土是一種特殊多孔性構造的非金屬礦，具有多孔、質輕、易吸水、滲透性強的特性，用來制備輕質保溫建筑材料具有較好的發展前景。梁興榮等[22]以硅藻土、水泥為原料，流漿成型后經蒸壓養護獲得了硅酸鈣板，結果表明通過改變硅藻土的加入量可以制備出多類別符合標準的硅酸鈣板產品，尤其可以用來制備低容重(密度＜0.95g/cm3)、低導熱率(導熱系數＜0.16W/m/K)的產品。李國昌等[23]通過對硅藻土進行酸溶焙燒擴容處理后，硅藻土比表面積增加，孔體積加大，容重減小，制成保溫材料后，材料結構中封閉氣孔發育，孔隙率大，熱阻效應明顯，從而降低了制品導熱系數，改善了制品的保溫性能。姜霆婧[24]以硅藻土、白云石、粉煤灰等為原料，燒結制備低導熱、高強度的硅藻土多孔保溫材料。目前，與先進保溫材料相比，硅藻土保溫材料產品的保溫性能還比較低下，未來還需在配方、成型、制備技術方面進一步優化改進。其次，與其他高性能材料復合也是發揮硅藻土特性的有效途徑[25]。

3.7 納米氣凝膠

納米氣凝膠是一種具有獨特納米多孔結構的非金屬礦物材料，其孔隙率和比表面積極高，熱導率和密度極低[26]，同時，具有不燃或阻燃性能。納米氣凝膠在高效保溫隔熱領域具有極大應用前景，如玻璃表面氣凝膠薄膜，納米氣凝膠窗，納米氣凝膠隔熱復合材料，太陽能集熱器中的透明隔熱材料，冰箱等低溫系統的隔熱材料，航天航空器上的隔熱層等[27]。雖然納米氣凝膠具有優異的保溫隔熱性能，但其制備技術難點及高昂的生產成本，使納米氣凝膠還不能實現商業化應用，因此，要拓展納米氣凝膠的應用，還需進一步解決制備技術，降低生產成本。

4 無機保溫材料發展建議

根據我國無機保溫材料生產現狀及應用要求，結合所采用原材料特性，無機保溫材料發展有以下建議。

(1) 提高無機保溫材料制備技術及降低生產成本。目前，我國無機保溫材料雖有一定的發展和提高，但產品性能還存在不足，如吸水率高、容重大、強度低、導熱系數高等，還需要從原材料、配方優化入手，提高生產裝備及自動化水平，規范生產過程，從而使產品性能及成本得以優化，增強無機保溫材料的市場占有能力[28]。

(2) 實現無機保溫材料生產過程綠色節能化。環保問題是國家在生產管理過程中的重中之重，礦山、工業等廢棄物已成為困擾企業可持續發展的一個難題，因此如何實現無機保溫材料生產、使用過程的廢料得到資源化循環利用，也將是無機保溫材料行業需要研究解決的問題之一。由此可以看出，綠色環保，能夠資源化二次利用的無機保溫材料將具有較大的發展優勢。

5 結語

隨著我國節能工作的推進，保溫材料產業發展迅猛，其產品也呈現多元化、功能全面化趨勢，作為節能工作不可或缺的一環，節能技術的發展與材料的研發革新密不可分。非金屬礦物材料具有耐高溫，低導熱、難燃的優勢，通過其在保溫材料中的應用研究，將不斷助推高性能無機保溫材料產業的發展和壯大。