殷海榮， 王 飛， 白建光， 陳 平， 張 森， 田一沖

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

泡沫玻璃是一類(lèi)新型建筑材料，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、吸水率低和導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)[1-3].其中，導(dǎo)熱系數(shù)是衡量泡沫玻璃的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，近年來(lái)對(duì)泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)研究不斷增多.

泡沫玻璃制備方法主要包括一步法和兩步法[4,5].一步法是采用多成份原料混料直接發(fā)泡制備，制品氣孔尺寸分布較寬、氣孔形狀不規(guī)則，連通孔也較多[2]；兩步法則直接將多成份原料混料后進(jìn)行高溫熔制粉碎成為粉料，粉料再加入發(fā)泡劑高溫發(fā)泡得到泡沫玻璃.與一步法比較，兩步法泡沫玻璃制品氣孔尺寸分布較窄、氣孔形狀較為規(guī)則、連通孔數(shù)量較少.但是兩步法制備泡沫玻璃的原料粒徑分布較寬，布料時(shí)容易造成樣品不同部位粒徑存在較大差異，導(dǎo)致最終樣品不同部位結(jié)構(gòu)差異和導(dǎo)熱系數(shù)差異也很大，影響泡沫玻璃使用.因而研究?jī)刹椒ㄔ狭綄?duì)泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響意義重大.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和實(shí)驗(yàn)方法

采用高溫熔制料為主要原料，SiC粉末為發(fā)泡劑，熔制料主要化學(xué)成份為70.38%SiO2-2.74%Al2O3-1.84%CaO-1.43%MgO-10.03%Na2O-3.80%K2O-0.11%Fe2O3-5.46%SrO-2.00%BaO-0.20%ZnO-1.13%ZrO2-0.57%PbO.熔制料加入1%SiC粉末，干法混料12 h后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%PVB水溶液進(jìn)行造粒；隨后采用半干壓成型進(jìn)行成型，得到尺寸50×50×30 mm3坯體；120 ℃干燥12 h后進(jìn)行高溫發(fā)泡，發(fā)泡溫度880 ℃，保溫時(shí)間20 min；隨后降溫至600 ℃保溫4 h后采用隨爐冷卻降溫方式.分別采用平均粒徑0.043 mm、0.050 mm、0.069 mm和0.083 mm的原料制備泡沫玻璃，研究原料粒徑對(duì)泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)影響.

1.2 性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)表征

1.2.1 氣孔率和吸水率

氣孔率采用以下公式：

(1)

式(1)中：ε-氣孔率(%)，dp-混合粉體密度(g/cm3)，采用氦比重瓶法測(cè)量；db-試樣表觀密度(g/cm3)，采用質(zhì)量與體積比來(lái)計(jì)算.

吸水率(W)采用以下公式：

(2)

式(2)中：W-吸水率(%)；m1-干重(g)；m2-濕重(g).發(fā)泡樣品切割成40×40×15 mm3塊狀，干燥后稱(chēng)量得到干重(m1)；隨后置于水中浸泡24 h，取出試樣，用濕毛巾拭去表面水分，稱(chēng)重后得到濕重(m2).

吸水率與氣孔的連通性有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)連通孔數(shù)量越多，吸水率越大.因此本文用吸水率來(lái)表征連通孔數(shù)量.

1.2.2 氣孔尺寸和孔徑分布

采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)泡沫玻璃切割后氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍照，隨后采用軟件Image Pro Plus對(duì)氣孔尺寸和孔徑分布進(jìn)行測(cè)量.

1.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)采用DRE-III導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀(湘潭湘儀儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)試，圖1為瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀實(shí)驗(yàn)裝置示圖.樣品尺寸為40×40×15 mm3，加熱功率為0.1 w，測(cè)試時(shí)間為160 s，探頭阻值為16.41 Ω(直徑15 mm).

圖1 瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀實(shí)驗(yàn)裝置示圖

1.2.4 微觀氣孔結(jié)構(gòu)

采用Quanta 600F掃描電子顯微鏡(美國(guó)FEI公司)對(duì)樣品的微觀氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，測(cè)試電壓為3 kV.

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫玻璃氣孔結(jié)構(gòu)

圖2為泡沫玻璃氣孔率和吸水率隨著原料粒徑變化關(guān)系圖.由圖2可知，氣孔率和吸水率隨著原料粒徑的增大而減小，且變化關(guān)系非線性，原料粒徑從0.043 mm增加到0.050 mm時(shí)，氣孔率和吸水率的變化幅度較大，是因?yàn)樵狭捷^小時(shí)，氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量連通孔[6].說(shuō)明隨著原料粒徑增加，泡沫玻璃氣孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部連通孔數(shù)量減少.

圖2 泡沫玻璃原料粒徑與 氣孔率、吸水率關(guān)系圖

圖3為平均粒徑0.043 mm、0.050 mm、0.069 mm和0.083 mm發(fā)泡樣品切割后照片((a)、(d)、(g)、(j))、SEM圖像((b)、(e)、(h)、(k))和氣孔尺寸分布((c)、(f)、(i)、(l)).由圖3可知，當(dāng)原料平均粒徑為0.043 mm時(shí)，氣孔形狀為不規(guī)則多邊形形狀，此時(shí)平均氣孔尺寸為3.26 mm，氣孔分布范圍從1.07 mm到7.60 mm，分布比較寬；隨著原料粒徑增加，氣孔尺寸減小(圖3(a)、(d)、(g)和(j))，氣孔形狀由多邊形趨近于球形(圖3(b)、(e)、(h)、(k))，氣孔尺寸分布向小尺寸偏移，分布范圍變窄(圖3(c)、(f)、(i)、(l))；當(dāng)原料粒徑為0.083 mm時(shí)，氣孔形狀基本為球形，此時(shí)平均氣孔尺寸為2.48 mm，氣孔分布范圍從1.10 mm到3.00 mm，分布逐漸變窄.

(a)0.043 mm樣品切割后照片 (b)0.043 mm樣品SEM圖像 (c)0.043mm樣品氣孔尺寸分布圖

(d)0.050 mm樣品切割后照片 (e)0.050 mm樣品SEM圖像 (f)0.050 mm樣品氣孔尺寸分布圖

(g)0.069 mm樣品切割后照片 (h)0.069 mm樣品SEM圖像 (i)0.069mm樣品氣孔尺寸分布圖

(j)0.083 mm樣品切割后照片 (k)0.083 mm樣品SEM圖像 (l)0.083mm樣品氣孔尺寸分布圖圖3 平均粒徑為0.043 mm、0.050 mm、 0.069 mm和0.083 mm發(fā)泡樣品切割后 照片、SEM圖像及氣孔尺寸分布圖

2.2 泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)

影響泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的因素很多，例如氣孔率、連通孔、氣孔尺寸和氣孔形狀等[7-10].

2.2.1 氣孔率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

對(duì)于閉氣孔泡沫玻璃來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)主要與氣孔率變化有關(guān)，Maxwell[11]研究了氣孔作為分散相存在于連續(xù)相情況下多孔材料氣孔率與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系，建立了Maxwell-Eucken模型的導(dǎo)熱系數(shù)公式：

(3)

式(3)中：K為多孔材料有效導(dǎo)熱系數(shù)，Ks為固相導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·k-1)，Kf為氣體導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·k-1)，ε為多孔材料氣孔率(%).因而氣孔率的降低將導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)呈增加趨勢(shì).

圖4為不同粒徑原料制備的泡沫玻璃的氣孔率根據(jù)Maxwell-Eucken模型計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)值和泡沫玻璃樣品導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試值隨著原料粒徑變化關(guān)系圖.由圖4可知，隨著原料粒徑的增加(氣孔率減小)，Maxwell-Eucken模型導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值呈增加趨勢(shì)，氣孔率減小幅度越大，導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度也越大；導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試值變化趨勢(shì)和上述模型計(jì)算值變化趨勢(shì)基本相同，呈增加趨勢(shì)，當(dāng)原料粒徑為0.083 mm(氣孔率88.58%)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試值有所減小.

對(duì)比圖4兩條曲線可以看出，Maxwell-Eucken模型導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和實(shí)際測(cè)試值存在差距，并且隨著原料粒徑的減小(氣孔率增加)，差值越來(lái)越大，當(dāng)原料粒徑為0.043 mm(氣孔率90.21%)時(shí)，差值最大，達(dá)到了0.02 W·m-1·k-1.說(shuō)明氣孔率對(duì)泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大.

圖4 泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)Maxwell-Eucken 模型計(jì)算值和測(cè)試值隨著粒徑(氣孔率) 變化關(guān)系圖

2.2.2 連通孔對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響

Maxwell-Eucken模型主要適用于封閉氣孔的多孔材料，對(duì)于泡沫玻璃而言，當(dāng)氣孔率比較高時(shí)，連通孔數(shù)量逐漸增加，氣體對(duì)流傳熱增多.吸水率測(cè)量值高低可以在一定程度上反映連通孔數(shù)量[12]，因而連通孔也是影響泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的一個(gè)重要因素.

姚曉莉[13]對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱系數(shù)是氣孔率與吸水率的共同作用.在此基礎(chǔ)上建立了導(dǎo)熱系數(shù)與氣孔率和吸水率關(guān)系模型的導(dǎo)熱系數(shù)公式，公式如下所示：

(4)

式(4)中：K為多孔材料有效導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·k-1)，ε為多孔材料氣孔率(%),Φ為吸水率(%).

圖5為根據(jù)公式(4)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和泡沫玻璃樣品導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試值隨原料粒徑變化關(guān)系圖.由圖5可知，隨著原料粒徑的增加，公式(4)根據(jù)對(duì)應(yīng)氣孔率和吸水率測(cè)試值(如圖2所示)計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)值也呈增加趨勢(shì)，且比測(cè)試值大；兩者之間的差值由0.008 W·m-1·k-1增加到0.015 W·m-1·k-1.

對(duì)于泡沫玻璃來(lái)說(shuō)，氣孔率的減小在一定程度上意味著連通孔數(shù)量降低，吸水率也隨之降低(如圖2所示)，導(dǎo)熱系數(shù)增加.存在差值的主要原因是上述公式是建立在泡沫玻璃氣孔全部連通情況下，實(shí)際上泡沫玻璃氣孔一般包含封閉氣孔和連通氣孔，氣孔率越大，連通氣孔數(shù)量越多.連通孔的出現(xiàn)將導(dǎo)致氣孔間氣體流動(dòng)傳熱和氣相與固相之間的對(duì)流換熱增加[14]，導(dǎo)熱系數(shù)增加.因而圖5中隨著原料粒徑減小(連通孔數(shù)量增加)，導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和測(cè)試值差值減小.

圖5 泡沫玻璃公式(4)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)值 和測(cè)試值隨原料粒徑變化關(guān)系圖

2.2.3 氣孔形狀和尺寸對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

氣孔形狀也是影響導(dǎo)熱系數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)，一般的模型大多建立在球形氣孔基礎(chǔ)上，實(shí)際中泡沫玻璃氣孔多為不規(guī)則的多邊形(如圖3所示).另外多孔材料中氣孔尺寸也是影響導(dǎo)熱系數(shù)的一個(gè)重要因素.Hasselman等[15]研究了多孔材料球形氣孔尺寸對(duì)多孔材料導(dǎo)熱性能的影響，建立了Hasselman模型.彭歡[16]在王家俊[17]的研究基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮多孔材料氣孔形狀和氣孔尺寸對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，提出了新的模型，建立如下導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式：

(5)

式(5)中：K為多孔材料有效導(dǎo)熱系數(shù)，Ks為固相導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·k-1)，Kf為氣體導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·k-1)，ε為多孔材料氣孔率(%).

圖6為根據(jù)公式(5)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和樣品測(cè)試值隨原料粒徑變化的關(guān)系圖.由圖6和公式(5)可知，這種模型實(shí)際上是建立在氣孔形狀和氣孔尺寸基礎(chǔ)上導(dǎo)熱系數(shù)與氣孔率之間的一個(gè)新經(jīng)驗(yàn)公式.隨著原料粒徑的增加(氣孔率減小)，導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值也隨之增加，計(jì)算值與測(cè)試值同樣存在較大差距，并且差值隨著原料粒徑增加(氣孔率減小)，差值由0.065 W·m-1·k-1減小到0.057 W·m-1·k-1.

由公式(5)可知，氣孔率增加意味著導(dǎo)熱系數(shù)增加.球形氣孔能夠?qū)е聼彷椛浜土黧w與固體骨架之間對(duì)流換熱的減少[14]，因而球形氣孔數(shù)量增加使得導(dǎo)熱系數(shù)減小，從圖3可以看出來(lái)，球形氣孔數(shù)量隨著原料粒徑增加而增加，因而導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和測(cè)試值的差值隨著原料粒徑增加而減小.

圖6 泡沫玻璃公式(5)計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)值 和樣品測(cè)試值隨原料粒徑變化關(guān)系圖

3 結(jié)論

(1)隨著原料粒徑增加，氣孔率和吸水率減小，氣孔尺寸減小，且形狀由多邊形趨于球形；

(2)對(duì)比導(dǎo)熱系數(shù)Maxwell-Eucken模型可知，氣孔率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響居主導(dǎo)地位，導(dǎo)熱系數(shù)隨著氣孔率升高呈增加趨勢(shì)，模型計(jì)算值和實(shí)際測(cè)試值之間存在差距，差值隨著氣孔率降低而降低；

(3)根據(jù)氣孔率與吸水率對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響模型發(fā)現(xiàn)連通孔及其數(shù)量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響也較大，連通孔的出現(xiàn)將導(dǎo)致氣孔間氣體流動(dòng)傳熱和氣相與固相之間的對(duì)流換熱增加，導(dǎo)熱系數(shù)增加；

(4)根據(jù)氣孔尺寸和形狀對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響的新模型，球形氣孔數(shù)量隨著原料粒徑增加而增加，因而導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值和測(cè)試值的差值隨著原料粒徑增加而減小.