粉煤灰鱗片的隔熱性能研究

王凱，魏莉

（沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

鱗片材料最早以玻璃鱗片的形式問世，由美國(guó)玻璃纖維公司開發(fā)，由于鱗片材料在耐蝕性能與施工工藝上的優(yōu)越表現(xiàn)，其被廣泛應(yīng)用在防腐領(lǐng)域。在20世紀(jì)70年代初期，鱗片材料的技術(shù)發(fā)展迅速，衍生出玄武巖鱗片涂料、云母鱗片涂料、合金鱗片涂料等，廣泛應(yīng)用在化工、石油、建筑等領(lǐng)域[1]。

鱗片材料之所以防腐性能優(yōu)異，一方面是因?yàn)轺[片材料本身的耐腐蝕性能好，另一方面鱗片材料在涂層中層疊排列形成的層狀結(jié)構(gòu)，這種層狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的“迷宮效應(yīng)”使腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散路徑延長(zhǎng)，延緩腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散速度，從而達(dá)到防腐蝕的目的[2-5]。

本文旨在以粉煤灰鱗片作為填充料，與高溫爐料充分混合，利用鱗片材料在涂層中形成的層狀結(jié)構(gòu)，通過對(duì)粉煤灰鱗片的微觀結(jié)構(gòu)觀察、高溫導(dǎo)熱測(cè)試、涂層隔熱測(cè)試，研究粉煤灰鱗片對(duì)隔熱性能的影響，借此分析鱗片材料在涂層中產(chǎn)生的“迷宮效應(yīng)”是否適用于延緩熱的傳導(dǎo)，探尋鱗片材料在防腐領(lǐng)域之外應(yīng)用的可能性，為鱗片材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的鱗片材料是粉煤灰鱗片，粉煤灰鱗片是火電廠經(jīng)過多重燃燒產(chǎn)生的粉煤灰，經(jīng)過高溫加工制備而成。表1為粉煤灰鱗片各元素的組成與含量。由表1可知，粉煤灰鱗片中氧的含量極高，幾乎不存在其他陰離子，因此，粉煤灰鱗片中金屬元素多以氧化物形式存在。表2為各元素?fù)Q算成氧化物后的組成及含量[6-7]。

表1 粉煤灰鱗片元素組成及含量

表2 粉煤灰鱗片氧化物含量換算結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備主要有電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、平板高溫導(dǎo)熱儀、X射線衍射儀（XRD）、SEM掃描電鏡和隔熱測(cè)試儀（自制，見圖1）。隔熱測(cè)試儀主要包括加熱管、接線柱、內(nèi)外涂層熱電偶以及主控系統(tǒng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1.3.1 粉煤灰鱗片微觀結(jié)構(gòu)分析

利用SEM掃描電鏡對(duì)粉煤灰鱗片進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。

1.3.2 高溫導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

以0、5%、10%、15%的粉煤灰鱗片含量與高溫爐料利用攪拌機(jī)充分混合后，每個(gè)配比制成2個(gè)直徑20 cm、高2 cm的圓形平板，將表面抹平后放入干燥箱中烘干，多次測(cè)量恒重后取出。放入平板高溫導(dǎo)熱測(cè)試儀中設(shè)定測(cè)試溫度，測(cè)試不同鱗片含量在100、200、300、400、500 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)。運(yùn)行儀器，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后，導(dǎo)熱系數(shù)連續(xù)5次相差小于±0.5%后儀器自動(dòng)輸出測(cè)試結(jié)果，自動(dòng)進(jìn)行下一溫度測(cè)試，直至所有溫度測(cè)試完畢并輸出測(cè)試結(jié)果。

1.3.3 涂層隔熱性能測(cè)試

以0、5%、10%、15%的粉煤灰鱗片含量與高溫爐料利用攪拌機(jī)充分混合后，涂抹在直徑2 cm的石英加熱管表面，控制涂層厚度為2 cm，表面涂抹平整后放入烘干箱中烘干，多次測(cè)量恒重后取出，按圖1中所示一端熱電偶分別固定在涂層內(nèi)外表面，另一端連接測(cè)試儀器，設(shè)定溫度100～500 ℃后進(jìn)行隔熱測(cè)試。運(yùn)行儀器，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定后，重新設(shè)定溫度并進(jìn)行下一個(gè)溫度的測(cè)試，每隔100 ℃調(diào)整一次，儀器將測(cè)試結(jié)果以Excel形式輸出并通過u盤保存。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰鱗片與高溫爐料混合形貌觀察分析

圖2為不同粉煤灰鱗片含量的高溫爐料不加水?dāng)嚢韬蟮暮暧^樣貌。由圖2可知，當(dāng)高溫爐料不含粉煤灰鱗片時(shí)，攪拌后涂料呈現(xiàn)較稀泥狀；當(dāng)粉煤灰鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過10%時(shí)，涂料攪拌后與0鱗片含量相比呈現(xiàn)較干泥團(tuán)狀；當(dāng)粉煤灰鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%后，涂料攪拌后呈現(xiàn)分散的泥球狀，且十分干燥，需要加水?dāng)嚢璨拍苓M(jìn)行樣品制備。

圖2 不同粉煤灰鱗片含量高溫爐料攪拌后形貌

2.2 粉煤灰鱗片微觀結(jié)構(gòu)分析

用SEM掃描電鏡對(duì)粉煤灰鱗片進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看到，粉煤灰鱗片的微觀結(jié)構(gòu)呈片狀，且排列方式為平行層疊，鱗片大小不一，表面光滑并且?guī)в秀y色亮光。由圖2中還可以看到鱗片層疊形成的層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形成的“迷宮”延長(zhǎng)了腐蝕介質(zhì)在涂層中擴(kuò)散的路徑，從另一方面延緩了介質(zhì)的擴(kuò)散速度。同樣，這種“迷宮”一樣的層狀結(jié)構(gòu)也會(huì)在涂層中形成大量的、存貯空氣的小型中空結(jié)構(gòu)，由于自然界中不流動(dòng)的空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是最低的，因此鱗片在涂層中的層狀結(jié)構(gòu)形成的“迷宮”同樣能夠有效延緩熱量的傳導(dǎo)，以達(dá)到隔熱的效果[8-10]。

圖3 粉煤灰鱗片微觀形貌

2.3 不同粉煤灰鱗片含量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

將不同粉煤灰鱗片含量的高溫爐料制成直徑20 cm、厚度2 cm的圓板，烘干后進(jìn)行高溫導(dǎo)熱測(cè)試，與不含粉煤灰鱗片的高溫爐料進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著高溫爐料中粉煤灰鱗片的增加，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)也在不斷降低，當(dāng)含量為0時(shí)，高溫爐料在500 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.098 W·m-1·K-1；鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)涂料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.094 W·m-1·K-1；鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.090 W·m-1·K-1；鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.084 W·m-1·K-1。當(dāng)鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度明顯變大。當(dāng)鱗片在涂料中含量增加，一定厚度涂層中的鱗片數(shù)量增加，形成的層狀結(jié)構(gòu)中存貯空氣的中空結(jié)構(gòu)增多，由于空氣的導(dǎo)熱率是最低的，因此鱗片含量增加，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)降低。

圖4 不同粉煤灰鱗片含量對(duì)高溫爐料的導(dǎo)熱系數(shù)影響

2.4 不同粉煤灰鱗片含量對(duì)隔熱性能的影響

將粉煤灰鱗片與高溫爐料混合后涂在加熱棒上，烘干后對(duì)不同鱗片含量的隔熱溫差進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰鱗片含量對(duì)高溫爐料隔熱溫差的影響

由圖5可知，隨著粉煤灰鱗片含量的增加，高溫爐料的隔熱溫差不斷增大。當(dāng)含量較小時(shí)，對(duì)高溫爐料的隔熱影響不大，隨著鱗片含量的增加，高溫爐料的隔熱效果逐漸明顯，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)隔熱效果最明顯，并且隨著溫度的升高，溫差逐漸增大。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，0鱗片含量的高溫爐料涂層表面溫度為233 ℃；當(dāng)鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，涂層表面溫度為213 ℃；當(dāng)鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，涂層表面溫度為178 ℃；當(dāng)鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)，涂層表面溫度為152 ℃。由此可見，粉煤灰鱗片對(duì)涂料的隔熱性能有增強(qiáng)作用，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)增強(qiáng)效果最好。

3 結(jié) 論

本研究進(jìn)行了粉煤灰鱗片的微觀形貌觀察，與高溫爐料混合后進(jìn)行高溫導(dǎo)熱測(cè)試以及隔熱測(cè)試。對(duì)測(cè)試后結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，粉煤灰微觀形貌呈現(xiàn)大小不一、平行層疊的鱗片組成的層狀結(jié)構(gòu)；隨著粉煤灰鱗片在高溫爐料中含量的增加，高溫爐料的高溫導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降，涂層表面溫度逐漸降低，并且在粉煤灰鱗片質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%時(shí)下降幅度最大。因此，粉煤灰鱗片在涂層中由層狀結(jié)構(gòu)形成的“迷宮”對(duì)熱量的傳導(dǎo)有阻滯作用，從而增強(qiáng)材料的隔熱性能。