張寧

[迪亞愛柯節(jié)能科技（上海）有限公司，上海200949]

0 引言

SiO2氣凝膠是一種具有獨特納米多孔三維網(wǎng)絡狀結構的多孔材料，其孔隙率高達99%，是目前最輕的固體材料[1]，由于氣凝膠空隙尺寸多集中在10～50 nm，在常壓下孔隙內的空氣基本無法進行熱傳導，使其具有較好的保溫隔熱性能。另外，SiO2氣凝膠經(jīng)表面疏水改性后，具有較好的疏水性能[2]。SiO2氣凝膠的低密度和高疏水特性使其在復合保溫材料中的應用較為困難，較低的密度使其無法與其它粉體材料在干混狀態(tài)下均勻分布，較高的疏水性又使其無法與漿料在濕混狀態(tài)下均勻相容，經(jīng)SiO2氣凝膠復合后的保溫材料雖然保溫隔熱性能得到很大提升，但力學性能出現(xiàn)了大幅度降低。為了解決以上問題，本文對SiO2氣凝膠復合保溫材料的制備工藝及性能進行研究。

1 試驗

1.1 原材料

硅灰：SiO2≥94%，貴州海天鐵合金磨料有限公司；HPMC：黏度200 Pa·s，赫克力士天普化工有限公司；丁苯乳液：BSF7623，巴斯夫中國有限公司；SEPS顆粒：堆積密度12 g/L，貝安居建筑節(jié)能材料科技有限公司；SiO2氣凝膠：粒徑≤15μm，深圳中凝科技有限公司；水泥：P·Ⅱ52.5，寧波海螺水泥有限公司；粉煤灰：Ⅰ級，上海華能粉煤灰工業(yè)有限公司；灰鈣：500目，豫北鈣業(yè)集團；三聚氰胺減水劑：F10，巴斯夫中國有限公司；木質纖維：長度1000μm，上海能高實業(yè)有限公司；PP纖維：長度6 mm，上海博寧工程纖維有限公司。

1.2 試驗配合比（見表1）

表1 SiO2氣凝膠復合保溫材料的配合比

1.3 SiO2氣凝膠復合保溫材料的制備工藝

SiO2氣凝膠復合保溫材料由A組分和B組分組成，首先將A組分按以下工藝制成膏料，然后將B組分按配比加入A組分中攪拌均勻即可，攪拌過程無需加水，其制備工藝如下：

（1）一次包裹增強制備工藝：將BSF7623丁苯乳液和水加入立式砂漿攪拌機，開機攪拌均勻，攪拌狀態(tài)下把硅灰和HPMC的預混料緩慢加入，攪拌均勻成漿料，然后將氣凝膠加入漿料中，蓋上攪拌機蓋子，封閉攪拌直至氣凝膠全部被漿料包裹無結塊，制成氣凝膠膏料。

（2）二次包裹增強制備工藝：將SEPS顆粒加入制成的氣凝膠膏料中，蓋上攪拌機蓋子，封閉攪拌直至SEPS顆粒被氣凝膠膏料包裹形成SEPS顆粒膏料，制成SiO2氣凝膠復合保溫材料A組分。

（3）三次包裹粘結制備工藝：在SiO2氣凝膠復合保溫材料使用前，將B組分按配比加入A組分，無需加水，用強制式攪拌機攪拌均勻即可，利用B組分中膠凝材料水化產(chǎn)生的機械錨固力和A組分中丁苯乳液成膜產(chǎn)生的分子鍵力使復合材料滿足力學性能要求。

2 試驗結果

2.1 不同制備工藝SiO2氣凝膠復合保溫材料的SEM微觀形貌分析

按表1的配比和傳統(tǒng)制備工藝，將水泥、粉煤灰、灰鈣、硅灰等干混形成干粉料B組分，將乳液和水混合均勻形成A組分，將SEPS顆粒和SiO2氣凝膠為C組分，A、B組分攪拌成漿料后，將C組分加入，攪拌均勻，制作SiO2氣凝膠復合保溫材料；按表1配比和1.3新制備工藝制作SiO2氣凝膠復合保溫材料。對傳統(tǒng)工藝制備的SiO2氣凝膠復合保溫材料試樣1和新制備工藝制備的試樣1、試樣2、試樣3進行SEM微觀形貌分析，見圖1～圖4。

由圖1～圖4可見：傳統(tǒng)制備工藝的試樣1中，SiO2氣凝膠清晰可見，表面沒有任何包裹，水化產(chǎn)物分布嚴重不均勻，膠凝材料水化不充分，聚合物無法連續(xù)成膜。新制備工藝的試樣1中，SiO2氣凝膠幾乎被完全包裹，水化產(chǎn)物分布均勻，膠凝材料水化充分，聚合物成膜連續(xù)，孔隙率較低。新制備工藝的試樣2中，較少部分小面積SiO2氣凝膠裸露，大部分SiO2氣凝膠被包裹，水化產(chǎn)物分布均勻，膠凝材料水化充分，聚合物成膜連續(xù)，局部有空隙被少量鈣礬石填充。新制備工藝的試樣3中，少部分小面積SiO2氣凝膠裸露，大部分SiO2氣凝膠被包裹，膠凝材料水化充分，聚合物成膜連續(xù)。孔隙率較高，空隙中生成大量鈣礬石。

因此，從不同制備工藝的SiO2氣凝膠復合保溫材料的SEM微觀形貌分析可知，新制備工藝中一次包裹增強制備工藝、二次包裹增強制備工藝和三次包裹粘結制備工藝與傳統(tǒng)工藝相比具有先進性。

2.2 不同制備工藝對SiO2氣凝膠復合保溫材料導熱系數(shù)和力學性能的影響（見表2）

表2 不同制備工藝對試樣1導熱系數(shù)和力學性能的影響

由表2可知，對于試樣1，采用傳統(tǒng)制備工藝SiO2氣凝膠復合保溫材料的力學性能明顯低于采用新制備工藝的，壓縮強度能符合GB/T 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)材料》要求，但拉伸粘結強度不能滿足標準要求；傳統(tǒng)工藝SiO2氣凝膠復合保溫材料導熱系數(shù)為0.042 W/（m·K），采用新工藝時為0.044 W/（m·K），差別不大。

因此，從2種制備工藝對SiO2氣凝膠復合保溫材料的導熱系數(shù)和力學性能的影響可知，一次包裹增強制備工藝和二次包裹增強制備工藝包裹增強作用明顯，三次包裹粘結工藝大大提高了SiO2氣凝膠復合保溫材料的內聚力，同時對氣凝膠的保溫隔熱性能影響不明顯。

2.3 SiO2氣凝膠體積比對復合保溫材料導熱系數(shù)和力學性能的影響

由表1配合比可知，試樣1、試樣2、試樣3中SiO2氣凝膠的體積摻量分別為23%、31%、38%，對新制備工藝的SiO2氣凝膠復合保溫材料的導熱系數(shù)和力學性能進行研究，結果見圖5。

由圖5可知，SiO2氣凝膠復合保溫材料拉伸粘結強度和壓縮強度隨SiO2氣凝膠體積摻量的增加而降低，試樣3中SiO2氣凝膠體積摻量為38%，復合保溫材料的拉伸粘結強度為0.09 MPa，不符合GB/T 29906—2013要求；SiO2氣凝膠復合保溫材料的導熱系數(shù)隨SiO2氣凝膠體積摻量的增加而降低，試樣2中SiO2氣凝膠體積摻量為31%，復合保溫材料的導熱系數(shù)為0.036 W/（m·K），試樣3中SiO2氣凝膠體積摻量為38%，復合保溫材料的導熱系數(shù)降至0.032 W/（m·K）。

3 結果分析

研究的SiO2氣凝膠粒徑為15μm以下，孔隙率99%，空隙被空氣填充，質量僅比空氣略重。較輕的質量使其無法和其它粉料采用干混方式均勻混合，這在傳統(tǒng)制備工藝試樣1的SEM（見圖1）已經(jīng)證明。SiO2氣凝膠高孔隙率導致其吸水率較高，需要在SiO2水凝膠階段進行疏水處理，得到的SiO2氣凝膠疏水性較好[3]，因此，只能提高包裹用漿料的表面張力，這也是采用丁苯乳液和高黏度纖維素醚等改性活性外摻料硅灰來包裹增強SiO2氣凝膠的原因。新制備工藝的試樣1、試樣2、試樣3的SEM照片（見圖2、圖3、圖4）證明其包裹性較好。表2、圖5力學性能分析表明其增強性較好。SiO2氣凝膠孔隙空腔尺寸集中在10～60 nm，而空氣分子平均自由程為69 nm，SiO2氣凝膠孔隙空腔尺寸小于空氣分子平均自由程，限制了氣體的運動，孔隙內空氣不易被其它介質置換，空氣在小于分子自由程的SiO2氣凝膠孔隙內存在克努森效應，孔隙內空氣熱傳導會大大降低[4-5]。表2中傳統(tǒng)制備工藝和新制備工藝的試樣1導熱系數(shù)分析表明，SiO2氣凝膠復合保溫材料導熱系數(shù)相差不大。圖5中不同體積摻量的SiO2氣凝膠復合保溫材料試樣1、試樣2、試樣3力學性能分析也表明了一次包裹增強、二次包裹增強和三次包裹粘結制備工藝的先進性。但SiO2氣凝膠體積摻量為38%的試樣3拉伸粘結強度不符合GB/T 29906—2013要求，是因為SiO2氣凝膠摻量太高，比表面積過大，導致無法完全包裹增強，同時出現(xiàn)了圖4中孔隙率變大問題，雖然空隙中有大量的鈣礬石生成，膠凝材料也進行了充分的水化[6]，但拉伸粘結強度仍不符合GB/T 29906—2013要求。

4 結論

（1）SiO2氣凝膠復合保溫材料采用一次包裹增強、二次包裹增強和三次包裹粘結的制備工藝，解決了氣凝膠低密度和高疏水帶來的生產(chǎn)困難問題。

（2）SiO2氣凝膠復合保溫材料采用A組分膏料和B組分干粉組合方式，解決了力學性能和保溫隔熱性能之間的矛盾，使SiO2氣凝膠復合保溫材料在工程上得到安全應用。

（3）SiO2氣凝膠采用丁苯乳液和高黏度纖維素醚等改性活性外摻料硅灰來包裹增強的制備工藝，不僅沒有改變其網(wǎng)狀多孔結構，同時大大提高了SiO2氣凝膠顆粒的強度，使其由脆性材料變成具有一定韌性的柔性材料。

（4）SiO2氣凝膠體積摻量為31%時，復合保溫材料的力學性能優(yōu)異，導熱系數(shù)為0.036 W/（m·K），性能優(yōu)于傳統(tǒng)EPS有機保溫材料。采用新制備工藝很大程度上提高了SiO2氣凝膠在復合保溫材料中的體積摻量，應用和研究潛力較大。