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新型无机保温材料的研究进展
信息来源:本站原创 添加日期:2016-1-6 浏览次数:1171次
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新型无机保温材料的研究进展

摘  要概述了我国目前常用的几种保温材料的性能,分析了有机保温材料与无机保温材料优缺点,总结了无机保温材料的导热机理 根据目前国内外研究现状及趋势,指出环境友好型保温材料和纳米微孔保温材料是未来发展的主要方向。

关键词:外墙保温材料;泡沫混凝土层;密实混凝土层;发泡剂;双氧水:孔结构

引 言

能源发展十二五规划中提出把节能放在更加突出的位置 加强工业节能,以世界先进能效水平位目标,制定领跑者标准和政策,实施工业节能重点工程加强建筑节能,推行绿色建筑标准保温材料是实现节能目标的关键材料,在工业和建筑中采用良好的保温材料可以起到事半功倍的效果保温材料是一种减缓由传导对流辐射产生的热流速率的材料,其最重要的性能参数是导热系数,导热系数越小,材料保温性能越好根据设备及管道保温技术通则,在平均温度不大于623K时,材料的导热系数应小于0.14 W/ (m·K)从经济效益角度看,使用保温材料可以大量节约能源花费,例如,使用一吨矿物棉一年就能节约一吨石油从环保角度看,管道设备上使用保温材料能有效降低能源消耗,减少燃煤,进而减少污染气体的排放。

保温材料主要分为无机保温材料和有机保温材料。目前主要使用的几种保温材料的性能如表1所示,可以看出,有机保温材料容重小导热系数低,这是有机保温材料的一大优势,虽然目前常用的无机保温材料在容重和导热系数等性能上不及有机保温材料, 但是无机保温材料最大优势是耐高温,如果将无机保温材料大力应用在建筑节能中,就不会导致2009 年央视大火和2010年上海胶州路火灾等悲剧的发生。因此,无机保温材料是未来保温行业发展的一个重要方向。但是,无机保温材料的导热系数普遍高于有机保温材料,于是,如何降低无机保温材料的导热系数便成为了科研工作者的重点。

目前主要使用的几种保温材料的性能

保温材料名称

导热系数(70℃时)

容重(kg·m-3

抗压强度(MPa

使用温度(℃)

燃烧性

膨胀珍珠岩散料

0.047-0.074

70-250

-

-200~800

不燃(A级)

岩棉及矿棉制品

0.049

60-200

-

350~600

不燃(A级)

硅酸钙制品

0.055-0.064

170-240

0.4-0.5

Ta-650Ta为环境温度)

不燃(A级)

复合硅酸盐涂料及其制品

0.065

60-120

-

450-550

不燃(A级)

聚苯乙烯泡米塑料

25℃时)

30

-

-65~70

难燃(B1级)

硬质聚氨酯泡沫塑料

20℃时)0.0275

30-60

-

-180~100

难燃(B1级)

无机保温材料发展现状分析

无机保温材料是指不含有机物的保温材料,不腐烂,耐高温,不燃烧,常用于热力管道和设备保温。这类材料常用的有石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、蛭石、泡沫混凝土、硅酸钙、硅酸铝、复合硅酸盐和岩棉等。

目前正在发展的无机保温材料有膨胀珍珠岩制品 复合硅酸盐保温材料 硅酸钙制品 硅酸铝棉、岩棉、玻璃棉等,这些材料主要应用于工业中以达到节能目的 岩棉和玻璃棉的导热系数较低,其实际使用温度也不高,一般在平均温度70℃使用,其导热系数在0.02~0.04 W/ ( m·K)之间,生产过程中的纤维容易引起工作人员产生呼吸道疾病 尘肺等症状 硅酸铝棉的使用温度较高,平均温度500℃时也能使用,火电厂中大多使用硅酸铝制品,根据实际测得的硅酸铝棉导热系数计算其在火电厂中的理论使用厚度,发现其实际使用厚度比理论使用厚度大很多,比如说,在表面温度达国标的情况下,火电厂实际使用的硅酸铝棉厚度为20cm,根据理论计算的使用厚度却只有12 cm,因此我们有必要从传热的理论基础去分析并找到与实际相符合的理论厚度计算方法,复合硅酸盐保温材料是以火山灰玻璃、白玉石、玄武石、海泡石、膨润土、珍珠岩等矿物材料和多种轻质非金属材料,运用静电原理和湿法工艺复合制成的憎水性复合硅酸盐保温材料,我们实验室采用这种原理和工艺制备了保温性能良好的复合硅酸盐保温材料,在热面温度为200℃时,保温材料导热系数为0.050 W/ ( m·K) ,复合保温材料能耐高温1000 ℃,柔韧性好,便于切割。

无机保温材料研发的理论基础

材料传热的基本方式有三种传导、对流、辐射。

固体热传导是通过原子或分子振动的传递,这种传导主要受到材料密度、温度和结构的影响,无机材料热性能的物理本质是晶格热振动。控制传热的方法就是采用低热导率的绝热材料,无定型结构具有更大的晶格波的散射能力,无定形态氧化硅颗粒自身的热导率为1.4 W/ ( m·K),另一方面是控制固体颗粒与孔隙空间的比率,增大保温材料的孔隙率,还有就是选用纳米团聚体粒子来提高固体热传导的路径长度。

对流是流体中温度不同的各部分相互混合发生相对位移引起热量传递的现象、对流的控制是通过阻止气体进行对流换热实现的 材料内部孔隙空间尺寸越小,对流循环就难以实现热辐射是物体因自身温度而具有向外发射能量的本领,它能不依靠媒质把热量直接从一个系统传给另一系统 热辐射以电磁辐射的形式发出能量,温度越高,辐射越强。在材料中加入含有最佳粒度分布的遮光剂能分散红外辐射光从而使辐射量降至最低制备性能良好的保温材料就需要从以上三方面入手,全面考虑热量在材料内部以及材料与周围环境的传递方式和快慢,在材料相同厚度条件下,尽量降低材料的表面温度与表面散热损失以达到国标的规定。

研发方向

4.1 环境友好型保温材料

随着科技发展和环保意识的增强,科技含量高、性能好且稳定、环境友好的复合型保温绝热材料必定是国内外发展的重点及热点漂珠是从粉煤灰中分选出的球状空心物,其比重小、强度高,导热系数低。我国拥有众多的火力发电厂,每年排出大量的粉煤灰中有2%左右的漂珠,开发利用这些漂珠有显著的经济效益和社会效益。在上个世界90年代,山东建材学院李国昌等人就利用漂珠及其他原辅材料制成复合保温材料,其导热系数低,在100℃时的导热系数为0.035 W/ (m·K)350℃时为0.078 W/ (m·K)

郭丽梅教授利用工业废弃物漂珠制备复合保温材料热导率为0.056W/(m·K),抗压强度为 4.18MPa,最高使用温度为300℃。蒋建萍教授用粉煤灰中的漂珠生产的制品,其导热系数在0.0600.070W/ ( m·K),制品抗压强度高、吸水率低、耐酸、耐碱、耐高温等,最高使用温度可达1000℃以上。微硅粉又名硅灰,是从金属硅或硅铁等合金冶炼的烟气中回收的粉尘,是一种固体废弃物,我国是世界硅铁和金属硅的生产大国,微硅粉产量巨大,充分回收利用微硅粉具有重大的现实意义。唐建新等人在固体废弃物微硅粉应用研究进展 中提到利用固体废弃物微硅粉与玻璃纤维(1%3%) 混合,并压制成型作为真空绝热板的芯材,其保温材料图片如图1所示,其导热系数达到0.006 W/ ( m K) A 级防火,大大降低了真空绝热板的价格,很好地利用了固体废弃物微硅粉,达到了环保、节能、经济的三重效果。

由于现行保温材料以大量的天然矿物为原料,因此,发展植物纤维保温材料就成为了一种趋势。王立久等人采用明胶乳液对纤维表面进行防水处理,显著降低了纤维的吸水率, 提高了其在水泥基材料中的耐碱侵蚀性和抵抗微生物对其解聚的能力,利用植物纤维开发出三明治结构纤维水泥基泡沫保温材料,该材料节能效果明显,为新农村建设建材短缺问题开辟了新的研究道路。土耳其教授Hanifi Binici 利用向日葵杆、纺织纤维、植物纤维等采用不同配比制备了几十种保温块材,得到导热系数最低为0.0728 W/ ( m K)的块状保温材料。

我们实验室制备的复合保温材料也是一种环境友好型保温材料,生产过程实现全自动化,不会对工作人员产生危害,该材料还有一个优势是能够循环使用,能有效节约资源和能源。

4.2 纳米保温材料

纳米孔超级绝热材料获得超级绝热性能的原因有三方面①材料内几乎所有的孔隙都在100 nm 以下,因而材料内部的反射界面和散射微粒增加,从而大幅度地降低了热辐射吸收能力,使材料具有优良的绝热性能②材料内大部分(80%以上)的气孔尺寸都小于50 nm,使材料处于近似真空的状态,空气中主要成分(氮气和氧气的热运动平均自由程都在70 nm 左右, 当材料中的气孔直径小50 nm 时,孔内的气体分子就失去了自由流动的能力,而相对地附着在孔壁上,这时材料所处的状态近似于真空状态,使材料无论是在高温还是常温下均有低于静止空气的导热系数③材料具有很低的体积密度,低的体积密度能使材料内部气体的体积较大,有利于提高材料的绝热性能。

纳米微孔隔热材料是一种直径在数十纳米的 SiO2 颗粒, 配合红外遮光剂和纤维等成分, 经过一系列物理和化学反应得到的新型材料 其内部含有大量纳米级微孔 它具有极低的导热系数, 隔热性能是传统材料(陶瓷纤维,硅酸钙,岩棉等3~4(见图2) ,导热系数在高温段上升很小,高达1000 ℃的耐温。为了使纳米微孔绝热材料具有良好的机械加工性, 同时也为了增加材料的强度, 纳米微孔材料中添加了相应比例的纤维增强物及粘结剂 另一种很重要的因素是红外遮光剂,它是一种矿物氧化物粉末,可以使纳米微孔绝热材料有能力阻止红外线的运动 物体表面损失的热辐射与温度的四次方成正比, 当温度在100 ℃以上时,辐射会变为热传递的主要方式,并且会随着温度的进一步升高迅速增加 矿物氧化粉末的微小颗粒在纳米微孔材料中被均匀地分散, 通过红外线在颗粒表面的折射来工作, 为了实现效果优化,颗粒的尺寸接近红外线波长散射发生的有效性,意味着纳米微孔绝热材料可以有效阻止红外线的传递,也就是纳米微孔绝热材料可以在高温下表现优异绝热效果的显著原因。北京科技大学倪文教授将 SiC 微粉作为红外遮光剂引入绝热材料中,结果表明, 在波长为2.57.0μm红外辐射波段,无遮光剂试样的有效消光系数为 1.9~12.6 m2/kg,而加入质量分数25% 粒径 3.029 μSiC微粉后,试样有效消光系数达到 52.7 ~ 58.8 m2/kg,隔热性能得到明显改善。

挪威的学者 Tao Gao 等利用聚苯乙烯为模板,制备了空心二氧化硅纳米微球,微球尺寸大约在150nm 左右,壳壁厚1015nm。利用有机模板制备空心纳米微球步骤较多且成本较高。日本Masayoshi Fuji教授等就尝试了利用CaSO3模板法制备空心纳米微球,其制备流程如图3所示,他们制备出来的纳米微球直径在100200 nm,采用BET方法测得其比表面积为624.1 m2/g。除此之外,Masayoshi Fuji教授等还提到利用二次乳化法制备空心纳米微球,是一种利用球形液体为模板的方法制备材料。

 

-水热模板法制备空心硅酸钙纳米颗粒过程图

邓蔚等在制备纳米孔硅质绝热材料时提到了三种生产工艺 Kistler 法是利用硅质原料与溶剂性原料充分混合,用无机酸作为凝胶催化剂调节凝胶时间,在完成凝胶化后,经过适当的陈化处理,再将该凝胶物质进行超临界干燥,即将硅凝胶加热到CO2的临界温度及压力,在无表面张力的超临界状态下,进行干燥,以气相来代替原有的液相, 最后获得具有开链结构及纳米孔径的硅质气凝胶 焚烧法是有机硅化物在氢气保护下进行的,由此生成的 SiO2 颗粒聚集成链状体,并通过氢键将其硅烷醇基团结合成立体网状结构一步法。首先将硅质原料与溶剂性原料按规定配方充分混合,再将该混合物与红外遮光剂 增强剂按一定比例快速搅拌混合,在其均匀混合分散后,加入适量的催化剂来控制凝胶时间,然后立即将此浆料倒入模具中,进行快速凝胶化,将此凝胶经适当的陈化后,放入有高压釜组成的超临界干燥装置内进行干燥处理,最后即获得纳米孔硅质绝热产品,此工艺是 Kistler法的延伸使用。

吴宏鹏等简介了采用独特微观结构的硬硅钙石提高纳米微孔绝热材料POMALIGHT 力学性能,硬硅钙石颗粒具有内侧针状晶体交织的孔结构,在增强基质强度的同时又保持优异的绝热和热态性能。含有硬硅钙石颗粒的纳米微孔绝热板在20℃时导热系数为0.024W/ (m·K)

结 论

无机保温材料作为耐高温的保温材料是未来保温行业发展的重要方向,深入剖析传热的理论基础并降低无机保温材料的导热系数是科研的重点,环境友好型保温材料和纳米微孔保温材料成为未来保温材料发展的主要方向。

--------摘自《硅酸盐通报》345

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