發泡硅酸鈣的隔熱性能研究

摘""""" 要：研究泡沫體積分數對硅酸鈣漿體的導熱系數以及導熱性能的影響。通過將廢舊硅酸鈣與發泡劑按不同配比混合，進行高溫導熱系數和涂層隔熱測試并對測試結果進行分析，研究發泡硅酸鈣的隔熱性能。結果表明：泡沫體積分數為70%的發泡硅酸鈣隔熱性能最好，在100～400 ℃時導熱系數為0.051～0.073 W·m-1·K-1；在加熱管溫度為400 ℃、涂層厚度為2 cm時，材料表面溫度低至140 ℃。

關" 鍵" 詞：發泡劑；廢舊硅酸鈣；導熱系數

中圖分類號：TQ175""""""""" 文獻標志碼：A"""" 文章編號：1004-0935（2025）05-0189-04

隨著我國工業化和城市化的不斷推進，已有大量廢舊硅酸鈣板材廢棄。由于其無法自然降解且沒有合理的方式再生利用，通常采用直接露天堆放或掩埋的方式處理，這些廢棄物會在自然環境中釋放大量的硅酸鈣、硫酸根、氫氧化鈣等物質，使得水環境、土壤環境、大氣環境受到污染[1]，導致大量植物死亡，影響自然植物對二氧化碳的吸收，造成區域性的生態環境受損，治理難度非常大。因此，對廢舊硅酸鈣板的合理回收利用，已經成為保護環境亟須解決的問題。

以發泡劑作為填充料，與廢舊硅酸鈣粉末充分混合[2]，在發泡初期初始氣泡的形態與穩定性很大程度上取決于漿料的流變性[3]。研究結果表明，低黏度的漿料會導致氣泡在膨脹過程中破裂[4]，高黏度的漿料則會限制發泡過程的進行[5]。基于漿料流變性對化學發泡過程的影響，可以通過改變漿料的黏度控制發泡硅酸鈣的孔隙特征。

利用發泡劑在硅酸鈣漿體中形成多孔結構，添加黏結劑控制漿料黏度。通過對不同泡沫體積分數的發泡硅酸鈣的微觀結構觀察、高溫導熱測試、涂層隔熱測試，研究不同泡沫體積分數對隔熱性能的影響，確定最佳的泡沫配比。

1" 實驗部分

1.1" 實驗材料

實驗采用的硅酸鈣粉末是由硅酸鈣板粉碎過篩所制，硅酸鈣板來自工地的廢棄硅酸鈣板；發泡劑分為起泡劑和穩泡劑2部分[6]，實驗選用了2種價格低廉且發泡效果較好的陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和α-烯基磺酸鈉（AOS）作為發泡劑部分，發泡劑來自天津紅巖試劑廠；選用增稠性、懸浮性、絕熱性良好的黏土作為黏結劑；去離子水由實驗室自制；玻璃纖維來自河北石家莊靈壽縣嘉碩建材加工有限公司。

1.2" 實驗設備

電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；型號JJ-5水泥膠砂攪拌機、NK-200D智能型雙平板導熱系數測定裝置，南京高特電子科技有限公司；X射線實時成像系統，丹東奧龍射線儀器有限公司；SEM掃描電鏡，國儀量子（合肥）技術有限公司；隔熱測試儀，自制。自制涂層隔熱性能測試裝置如圖1所示，其包括加熱管、接線柱、內外涂層熱電偶以及主控系統。

1.3" 實驗過程

1.3.1" 樣品制備

硅酸鈣漿料制備：稱取硅酸鈣粉體100 g，加入200 g去離子水，攪拌機攪拌均勻后，加入10 g高溫黏結劑以及2 g玻璃纖維，得到硅酸鈣漿料。

泡沫制備：稱取去離子水100 g，依次加入十二烷基苯磺酸鈉0.7 g、α-烯基磺酸鈉0.3 g，攪拌速度2 800 r·min-1攪拌3 min以上，得到泡沫[7-9]。

1.3.2" 泡沫硅酸鈣結構分析

稱取不同體積分數泡沫與硅酸鈣漿料混合，攪拌機充分攪拌使其充分結合，放到振搗臺上振蕩"" 6 min后將制得漿料裝入直徑為3 cm、高度為3 cm正方體模具中，充分干燥后用于X射線實時成像系統測試。利用SEM掃描電鏡對硅酸鈣漿體以及發泡硅酸鈣進行微觀結構觀察。

1.3.3" 高溫導熱系數測試

以0、30%、50%、70%、90%的泡沫體積分數與硅酸鈣漿料利用攪拌機充分混合后，每個配比制成一個直徑20 cm、高2 cm的圓餅，振實，并將表面涂抹平整。在室溫下放置24 h，防止水分蒸發過快表面開裂，轉放到恒溫干燥箱中恒溫40 ℃、6 h，再升溫至60 ℃烘干12～14 h，至樣品質量無明顯變化。放入平板高溫導熱測試儀中測定導熱系數，主爐電壓為5.2 V、電流為1.5 A，測試時儀器的參數溫度設定為100、200、300、400 ℃，運行儀器，當達到設定溫度后，導熱系數連續5次相差小于" ±0.5%后儀器自動輸出測試結果，自動進行下一溫度測試，直至所有溫度測試完畢并輸出測試結果。

1.3.4" 涂層隔熱性能測試

以0、30%、50%、70%、90%的泡沫體積分數與硅酸鈣漿料利用攪拌機充分混合后，涂抹在直徑20 mm的陶瓷加熱管表面，控制涂層厚度為20 mm，為避免涂層干燥開裂每次涂抹厚度不超過10 mm，待干燥后繼續涂抹。表面涂抹平整后放入烘干箱中烘干，等待涂層完全干燥后取出，按圖1中所示連接接線柱并安裝觸電保護帽，一端熱電偶分別固定在涂層內外表面，另一端連接測試儀器，設定溫度100～400 ℃后進行隔熱測試，運行儀器，待顯示屏中設定溫度與涂層表面溫度均趨于平穩后，測得涂層表面溫度，重新設定溫度并進行下一個溫度的測試，每隔100 ℃調整1次，儀器將測試結果以Excel形式輸出并通過u盤保存。

2" 結果與討論

2.1" 發泡硅酸鈣斷層掃描圖

借助X射線實時成像系統得到發泡硅酸鈣的可視圖像，結果如圖2所示，黑色部分為孔隙。由圖2（a）、圖2（b）可以看出，泡沫體積分數為90%時，雖然產品能夠成型，但存在一些大尺寸缺陷和裂紋，原因是在產品烘干過程，水分的蒸發破壞了一部分閉孔結構[10]，使硅酸鈣漿體產生黏結造成大尺寸缺陷，氣孔與氣孔之間產生了連通，產生裂紋。由圖2（c）、圖2 （d）可以看出，泡沫體積分數為70%時產生的氣孔是均勻分布且孔徑較90%泡沫更小，減少了內部對流，提高了發泡硅酸鈣的隔熱性能。

2.2" 發泡硅酸鈣微觀結構分析

硅酸鈣涂料以及70%發泡硅酸鈣微觀結構的SEM圖如圖3所示。由圖3（a）可以看出，硅酸鈣涂料中的纖維互相鉸鏈形成具有類似鳥窩的結構，添加1.5～2 cm的玻璃纖維作為補充，形成骨架，使得漿體能夠附著在骨架上，增強涂層的拉伸強度和抗裂性能，形成層狀、網狀結構且排列方式為平行層疊。由圖3（b）可以看出，加入體積分數70%泡沫的硅酸鈣漿料形成的涂層具有形狀分布均勻的多孔結構，這種結構使得材料具有高孔隙率、低密度等特性[11]。材料的這些特性使得內部對流換熱大大降低，并且閉孔結構中空氣的導熱系數遠低于硅酸鈣漿料的導熱系數，這使得發泡硅酸鈣材料的隔熱性能得到提高。

2.3" 不同泡沫體積分數對導熱系數的影響

將不同泡沫體積分數的發泡硅酸鈣材料制成直徑20 cm、厚度2 cm的圓餅，烘干后進行高溫導熱測試，與不含泡沫的硅酸鈣漿體進行對比，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著硅酸鈣漿體中泡沫體積分數的增加，涂料的導熱系數也在不斷降低，當泡沫體積分數為0時，涂料在400 ℃時導熱系數為0.120 W·m-1·K-1；當泡沫體積分數為30%時，導熱系數為0.095 W·m-1·K-1；當泡沫體積分數50%時，導熱系數為0.090 W·m-1·K-1；當泡沫體積分數為70%時，導熱系數為0.073 W·m-1·K-1；當泡沫體積分數為90%時，導熱系數為0.084 W·m-1·K-1。當泡沫體積分數達到70%時，涂料的導熱系數下降幅度明顯變大。這是由于當泡沫在涂料中體積分數增加，一定厚度的涂層內孔隙率變高，形成的多孔結構中存貯空氣的孔隙增多。由于空氣的導熱率是最低的，因此當泡沫體積分數低于70%時隨著泡沫體積分數增加，涂料的導熱系數降低。當泡沫體積分數到達70%后繼續增加泡沫體積分數，涂料導熱系數反而上漲，原因是在產品烘干過程，水分的蒸發破壞了一部分閉孔結構，造成部分孔徑變大，從而在傳熱過程中產生了對流傳熱，導致導熱系數增高[12]。

2.4" 不同泡沫體積分數對隔熱性能的影響

將泡沫與硅酸鈣漿料混合后得到的漿體涂在加熱棒上，烘干后對不同泡沫體積分數的泡沫硅酸鈣進行隔熱溫差測試，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著泡沫體積分數的增加，泡沫硅酸鈣的隔熱溫差不斷增大。當泡沫體積分數較小時，對泡沫硅酸鈣的隔熱影響不大，隨著泡沫體積分數的增加，泡沫硅酸鈣的隔熱效果逐漸明顯，當泡沫體積分數達到70%時隔熱效果最明顯，并且隨著溫度的升高，溫差逐漸增大。當溫度達到400 ℃時，硅酸鈣漿料涂層的表面溫度為198 ℃，當泡沫體積分數達到30%時，發泡硅酸鈣涂層表面溫度為172 ℃；當泡沫體積分數達到50%時，涂層表面溫度為155 ℃；當泡沫體積分數達到70%時，涂層表面溫度為140 ℃；當泡沫體積分數達到90%時，涂層表面溫度為148 ℃。由此可見，泡沫對涂料的隔熱性能有增強作用，且在體積分數達到70%時增強效果最好。

3" 結 論

進行了硅酸鈣漿料以及發泡硅酸鈣的微觀形貌觀察，通過斷層掃描圖觀察發泡硅酸鈣的孔結構和缺陷，對不同體積分數的發泡硅酸鈣進行高溫導熱測試以及隔熱測試。對測試后結果分析發現，發泡硅酸鈣微觀形貌呈現均勻多孔結構，對熱量的傳導有阻滯作用，從而增強材料的隔熱性能；當泡沫體積分數超過70%時，部分閉孔結構破壞，產生缺陷導致部分孔徑變大，氣孔與氣孔間產生連通，導致對流傳熱增強，導熱系數降低；當泡沫體積分數不超過70%時，增加泡沫體積分數，發泡硅酸鈣的導熱系數逐漸下降，隔熱性能測試時涂層表面溫度逐漸下降；當泡沫體積分數到達70%時，泡沫硅酸鈣的隔熱性能最佳，在400 ℃時導熱系數較硅酸鈣涂料降低了0.047 W·m-1·K-1。因此，泡沫硅酸鈣中的泡沫體積分數為70%時為最優配料比。

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Study on Thermal Insulation Performance of Foamed Calcium Silicate

SUN Xiaokang， SUN Xiaoyu，WEI Li

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract： The effect of foam volume fraction on the thermal conduction coefficient and thermal conductivity of calcium silicate slurry was studied. The thermal insulation performance of foamed calcium silicate was studied by mixing waste calcium silicate with foaming agent according to different ratios， high-temperature thermal conductivity and coating thermal insulation tests were carried out，and the test results were analyzed. The results showed that the foamed calcium silicate with volume fraction of 70% had the best thermal insulation performance， and the thermal conduction coefficient was 0.051?0.073 W·m-1·K-1 in the range of 100?400 ℃. When the heating tube temperature was 400 ℃ and the coating thickness was 2 cm， the surface temperature of the material was as low as 140 ℃.

Key words： Blowing agent; Waste calcium silicate; Thermal conduction coefficient