化學發泡法制備多孔保溫材料的研究

中圖分類號：TB34 文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）06-0928-05

工業高溫部件如窯爐表面、染缸和高溫管道的保溫隔熱是工業生產中節能降耗、減少運行成本以及確保安全生產的重要環節。目前，巖棉制品、發泡陶瓷、泡沫玻璃和膨脹珍珠巖等被廣泛使用，這些傳統保溫材料本身導熱系數較低，可起到有效的保溫隔熱作用[2-5]。但因其結構特點，易開裂、脫落導致保溫效果降低，且使用壽命短。同時更換時產生的固體廢物無法處理，具有一定的污染性。這些纖維類保溫材料在作業時會飛散出細小的纖維，對人體的呼吸、皮膚都造成不適的感覺，這也是一直在工業應用中被用戶不愿意接受但還沒有新材料可替代而不得不用。因此，制備優異絕熱保溫性能的新型保溫材料成為亟須解決的問題。

多孔材料由于其獨特的骨架構型、大的比表面積以及豐富的孔隙結構使其具有熱導率低、密度小、孔隙率高等優異性能。多孔保溫材料已經取得了一定的進步。XU等采用化學發泡法用 H₂O₂ 制備新型粉煤灰基地質聚合物泡沫材料的熱導率從0.6462W?（m?k）^-1 下降到 0.1825W?（m?k）^-1 。JAYA等研究了 H₂O₂ 對泡沫材料物理性能、抗壓強度和孔特性的影響。魏鑫等研究發現，當 H₂O₂ 摻量為 7.5% 時，制備的陶粒總孔隙率為 69.22% ，導熱系數為0.093W?（m?k）^-1 。但上述多孔材料普遍具有導熱系數高的缺點，缺少孔結構與其保溫性能的研究，目前對多孔保溫材料的內部孔結構及相關性能的研究還缺乏系統的成果。

本研究以煅燒硅藻土為原料，以 H₂O₂ 為發泡劑硬脂酸鈉為穩泡劑，制備一種多孔輕質保溫材料，通過優化孔的形成和孔的結構，降低導熱系數，同時提高材料的力學性能。這種材料能通過漿料一次成型獲得，因此，不會有細小纖維飛散，對工作環境友好。

1實驗部分

1.1 原料及儀器

原料：煅燒硅藻土（BX00689，河南博旭環保科技有限公司的硅藻土經800 °C 煅燒）;黏土（400目，江蘇鼎邦礦產品有限公司）；玻璃纖維（長度 2cm ，長沙檸祥建材有限公司）；發泡劑（純度為 30% 的H₂O₂ ，國藥集團）；穩泡劑（硬脂酸鈉，山東隆匯化工有限公司）；催化劑（NaOH分析純，國藥集團）；促凝劑（碳酸鋰分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司）；聚羧酸減水劑（北京凱利天威科貿有限公司）。

儀器設備：微機控制抗折抗壓試驗機（YAW-300D，濟南新時代試驗儀器有限公司）；熱流法導熱儀（HFM446LambdaSMALL，德國耐馳公司）

1.2 實驗方法

1.2.1多孔輕質保溫材料制備工藝流程

稱取適量煅燒硅藻土、黏土、玻璃纖維及外加劑依次放于攪拌鍋中，高速攪拌機以轉速 99rmin^-1 攪拌 5min 混合。然后量取適量的去離子水，以1 000r?min^-1 的轉速繼續攪拌 3min ，使其成為均勻漿體。將 H₂O₂ 與催化劑預先攪拌混合均勻后倒入漿體中，保持 1500rmin^-1 的速度攪拌 10s ，最終獲得黏稠狀漿體。將漿體分別倒入模具中，經水泥振搗臺振搗180s后放在空氣中靜置1d成型，置于 60^°C 烘箱中干燥至恒重，脫模成待測樣品。制備工藝流程如圖1所示。

1.2.2 實驗設計

以煅燒硅藻土質量為基礎，玻璃纖維占煅燒硅藻土 2wt% 、減水劑占 2wt% ，促凝劑和催化劑分別占 0.08wt% 和 0.4wt% ，保持固液比為0.7。設計6組 H₂O₂ 量、6組穩泡劑量實驗，測試多孔材料導熱系數、抗壓和抗折強度，選取最佳發泡劑量與穩泡劑量。

1.2.3 保溫材料孔結構表征

氣孔形狀因子（圓度）：指多孔材料氣孔的幾何 式中： F- —形狀因子； —孔周長， mm A 孔面積， mm² 。

1.3材料性能測試方法

干密度：根據無機硬質絕熱制品試驗方法（GB/T5486-2008）烘十至恒重，測其體積，計算密度。導熱系數：根據絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流計法（GB/T10295-2008）采用HFM446Lambda型導熱系數測定儀，測多孔保溫材料導熱系數。抗壓、抗折強度：按照水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）（GB/T17671），采用標準棱柱試件尺寸為 160mm×40mm×40mm 。

2 結果與討論

2.1 H₂O₂ 量對材料孔結構與性能的影響

2.1.1 H₂O₂ 量對孔結構的影響

多孔材料的力學性能和隔熱性能受氣孔大小、形狀、數量以及在基體內分布影響。圖2為不同 H₂O₂ 量多孔保溫材料孔結構經過黑白二值化處理后的1組孔斷面圖， H₂O₂ 量增加，孔徑逐漸增大。 H₂O₂ 量占固體總質量的 3%～5% 圖 2（a）～（c）] ，孔徑增大較緩慢； H₂O₂ 量在 5%～6% 圖2（c）＼～（d）]范圍時，孔徑增大明顯；當 H₂O₂ 量達到 6%～8% [圖2（d）＼～（f）]時，孔徑略微有縮減趨勢。

多孔材料孔徑是指多孔體系中孔隙的名義直徑有平均、等效的意義[13]。如圖3所示， H₂O₂ 量增加，孔隙率、Feret徑、孔面積和孔周長都呈增大趨勢。H₂O₂ 為 6% 時，Feret徑達到最大 0.193cm ，孔隙率最大為 53.5% 。因此，小于 6% 時， H₂O₂ 量遞增孔徑逐漸變大，但是超過 6% ，孔徑分布不均勻，小孔徑連通成大孔徑，樣品凹陷，導致孔隙率減小。出現此情形有兩個主要原因：一是 H₂O₂ 為氣泡成核與長大提供了動力，大量的小孔隙合并成為大孔隙；二是 H₂O₂ 分解產生氣體同時水量也在增加，漿體黏度變小，流動性增加，漿體的極限剪切應力增加過快。但 H₂O₂ 超過 6% ，氣泡動力大于漿體剪切應力，通過擴散與孔壁破裂導致氣體逸出量足夠多，此時通過原位產生的氣體補充難以滿足，導致塌陷，部分漿體進人孔隙，導致孔隙率降低，進而改變孔結構。

圖4為不同 H₂O₂ 量的形狀因子變化圖，可以看出， H₂O₂ 量增加，多孔輕質保溫材料的孔形狀因子呈現遞增的趨勢。當 H₂O₂ 量為 3% 時，形狀因子最小，此時最接近球形，繼續增加 H₂O₂ 量，其值增加明顯。在 6% 時，形狀因子變化最小，超過 6% 后，其值大幅度提高，可見過量的發泡劑會改變氣孔的變形程度，不利于其本身的性能。可能是 H₂O₂ 分解產生氣體使體積膨脹，適量的發泡劑會在漿體中形成良好的孔形狀，會優化多孔輕質材料隔熱性能。

Feret徑能準確反映 H₂O₂ 對多孔輕質保溫材料孔徑的影響。圖5為 3%～8%H₂O₂ 量制品的Feret徑分布圖，橫坐標表示孔徑范圍，縱坐標表示此孔徑范圍內氣孔數量。可以看出，圖5（a） H₂O₂ 量為 3% 時，孔徑集中在 0.03～0.05cm ，占比 62.03% ；圖5（?_b）_H20₂ 量為 4% 時，孔徑集中在 0.055～0.095cm 占比 69.37% ；圖 5（c）H₂O₂ 量為 5% 時，孔徑集中在 0.09～0.13cm ，占比 70.57% ；圖5（d） H₂O₂ 量為6% 時，孔徑集中在 0.125～0.275cm ，占比 82.54% ：圖5（e） H₂O₂ 量為 7% 時，孔徑集中在0.075＼～0.225cm ，占比 83.11% ；圖5（f） H₂O₂ 量為 8% 時，孔徑集中在 0.075～0.17cm ，占比 87.26% 。因此，當摻量為 6% 時，Feter徑分布比較均勻且達到最大閉孔，故選 6% 為最佳發泡劑量。

2.1.2 H₂O₂ 量對力學性能的影響

將不同 H₂O₂ 量的多孔輕質保溫材料進行力學性能測試，結果如圖6所示。 H₂O₂ 量增加， H₂O₂ 對多孔材料力學性能影響顯著。 H₂O₂ 量占煅燒硅藻土質量為 3%～4% 時，力學性能呈下降趨勢； H₂O₂ 量超過 5% 力學性能明顯降低， H₂O₂ 量超過 6% 力學性能難以達到保溫材料最低抗壓要求。 H₂O₂ 量為 6% ，抗壓強度為 0.312MPa 、抗折強度為 0.329MPa ，較 3% 時抗壓強度與抗折強度分別降低了 30.67% 和

31.88% 。根據目前國家對建筑保溫材料性能要求，抗壓強度要大于 0.3MPa ，所以制品符合國家對保溫材料的要求[14]。

這是由于 H₂O₂ 量增加，促使氣泡動力增加，超過漿體自重時，漿體會膨脹，內部孔隙數量增加、孔壁變薄，應力更容易集中在孔隙結構中，形成裂縫。孔隙材料的強度會隨著孔隙的出現而迅速降低，這與 H₂O₂ 含量對孔結構的影響規律有相同的趨勢。

2.1.3 H₂O₂ 量對隔熱性能的影響

對制備的多孔輕質保溫材料進行導熱測試，并測其密度，結果如圖7所示。 H₂O₂ 量增加其導熱系數與干密度均呈先下降再上升的趨勢。 H₂O₂ 量超過5% 導熱系數降低變緩。 H₂O₂ 量為 6% ，導熱系數、干密度分別達到最低—— 0.0624W?（m?k）^-1 和 294.3kg?m^-3 。 H₂O₂ 量超過 6% ，氣孔之間相互連通性增加，材料內部之間變成空氣連通導致熱性能降低。當閉合氣孔內產生的氣體壓力大于孔壁所能承受的范圍力后，小的氣孔會逐漸結合成為大氣孔，直接沖破孔壁對其的阻力，出現部分凹陷坍塌的情況，導熱系數在 6% 后呈現增加的趨勢。故綜合考慮選最優發泡劑量為 6% 。

研究表明：氣孔尺寸小于 4mm 氣體對流熱量可忽略不計[13]。就干燥隔熱材料而言，總導熱系數為[15-16]： k_tot=k_s+k_g+k_rad° 其中， 固體熱導率； k_g 為氣體熱導率； k_rad 為輻射熱導率，單位為 W?（m?k）^-1 結合熱量傳遞方式分析，多孔材料的內部是封閉的空氣，以熱傳導為主。煅燒硅藻土本身具有很高的孔隙，顆粒之間的空氣使其具備優良的隔熱性能[7]H₂O₂ 引入使得大量中空結構延長了熱流傳遞的路徑導致熱量傳遞速率減慢，達到了保溫隔熱效果，可由圖8多孔輕質保溫材料傳熱模型來解釋。

多孔材料在熱傳遞過程中，熱量傳遞到孔壁時，傳熱路徑分為：一條仍舊通過路徑變長的固體傳遞；另一條借助泡孔傳遞，由于空氣導熱系數遠小于固體導熱系數[，所以此路徑熱阻較大。多孔材料熱傳導以第2條路徑為主，以此增強隔熱效果。

2.2穩泡劑量對材料孔結構與隔熱性能的影響

氣泡是一種熱力學不穩定狀態易受所處環境干擾而導致破裂1。采用穩泡劑可以提高氣泡的穩定性2。從圖9穩泡劑量孔徑分布可以看出，穩泡劑量增加，有效降低了孔徑不均勻的現象，大孔徑率（直徑在 0.11cm 以上）逐漸降低。其中 2.5% 時孔徑（直徑在 0.11cm 以下）分布較另外幾組均勻。結果表明，穩泡劑的引入有效提高了氣泡的穩定性。從而導致大孔徑減少，氣孔分布更均勻，但穩泡劑量過高，小孔徑的連通與合并會改變孔的總體結構。

圖10為穩泡劑量對干密度與導熱系數的影響，穩泡劑量在小于 2.5% 時，其性能呈現優化的趨勢，超過 2.5% 其保溫性能降低，達到 2.5% 時，最低干密度為 311.5kg?m^-3 ；最低導熱系數為0.0603W/（m?k）^-1 。

這是因為穩泡劑實質上是表面活性劑，其分子膜能阻礙氣泡表膜上液體的流動，同時提高了氣泡液膜的強度[21-22]，使排液不易發生，有效防止了氣泡之間液膜連通成大孔，所以多孔材料的平均孔徑隨著穩泡劑量增加而持續減少。綜合孔結構與保溫隔熱性能分析，選取 2.5% 為最佳穩泡劑量。

3結論

1）以煅燒硅藻土為主要原料、硬脂酸鈉為穩泡劑，添加適量外加劑，利用 H₂O₂ 進行化學發泡制備一次性成型的多孔輕質保溫材料是可行的。

2）結合ImageJ圖像軟件分析獲悉 H₂O₂ 量為6% 、穩泡劑量為 2.5% ，多孔保溫材料具有優良的孔結構、力學和隔熱性能。多孔材料孔結構與干密度、孔隙率、力學性能和導熱系數具有良好的相關性。

3）從傳熱學的角度分析多孔輕質保溫材料的隔熱機理，多孔材料中氣體的引入增加了孔隙率，從而降低了導熱系數。最終制得多孔保溫材料導熱系數達到 0.0603W?（m?k）^-1 。

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Research on the Preparation of Porous Thermal Insulation Materials by Chemical Foaming Method

ZHANG Xinye， WEI Li

（School ofMaterialsScience andEngineering，ShenyangLigong Universtiy，Shenyang Liaoning11Ol59，China）

Abstract：Intisstudyadatomite-basedporouslghtweightthmalinsulationmaterialwaspreparedbyhemicalfoamingmethod The effects of the amount of H₂O₂ and the amount of stabilised foam on the density，thermal conductivity， compressive strength and flexuralstrengthof teprous lghtweightmaterial wereinvestigatedTheporesizeanditsdistribution werequantitativelyanalyed byImageJmageaalysissftwaretoaintheporestructurepaameterssuchasporosityfetdametereareaandporepete and roundness of the specimens.The results show that the amount of H₂O₂ affects the thermal insulation and mechanical properties by changingtheporosityandporesizedtrbutio，andthefoamstabilisercanstabilisethebubblesandimprovethetealcoductivity. When the amount of is 6wt% and the stabilising agent is 2.5wt% ， it has excellent pore structure and comprehensive performance， and the final thermal conductivity reaches 0.0603W?（m?k）^-1 . The porous thermal insulation material prepared in this paper has a lower thermalconductivitycomparedwiththetraditional termalinsulationmaterial，andisanewtypeofthemalinsulationaterial expected to be industrialised.

Key words： Chemical foaming; Calcined diatomite; Porous structure; Porosity