李小朋
(黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院,河南 駐馬店 463000)
隨著我國(guó)工業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展,煤、石油等能源的消耗已嚴(yán)重超標(biāo),能源供需的問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越嚴(yán)重,人們?cè)诖罅﹂_(kāi)發(fā)可再生新能源的同時(shí),也在積極尋找新的節(jié)能減耗的手段[1]。保溫材料憑借著質(zhì)量輕、可加工性好、致密性高、保溫隔熱效果好等優(yōu)點(diǎn)而深受青睞[2-6]。保溫材料一般是指熱系數(shù)≤0.12 W/(m·K)的材料,常用的保溫材料按照成分組成可以分有機(jī)保溫材料、無(wú)機(jī)保溫材料和復(fù)合保溫材料[7-9],按照形態(tài)可以分為纖維狀、氣泡、顆粒狀、層狀保溫材料等[10-12]。保溫材料一般在建筑工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,例如:保溫墻體、保溫水泥板、外墻及屋頂保溫涂層等[13-15]。保溫材料的使用不僅可以大量節(jié)約建筑材料的成本,還可以提高整體的保溫性能、節(jié)約能源。可見(jiàn)保溫材料的開(kāi)發(fā)與推廣是節(jié)約能源、改善居住環(huán)境和使用功能的一個(gè)重要方法[16-17]。無(wú)機(jī)保溫材料由于具有良好的溫度穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性 、高的防火阻燃性、綠色環(huán)保無(wú)公害等特點(diǎn)而備受關(guān)注,但也因其密度較大、吸水率較高等缺點(diǎn)限制了無(wú)機(jī)保溫材料在某些領(lǐng)域的應(yīng)用[18-21]。近年來(lái),越來(lái)越多的研究者開(kāi)始著手于保溫材料的改性研究。張化騰等[22]通過(guò)引入不同的三聚氰胺來(lái)對(duì)脲醛樹(shù)脂保溫材料進(jìn)行改性研究,結(jié)果表明,三聚氰胺的引入,材料的壓縮強(qiáng)度從139 kPa增加到了270 kPa,增加了約94%,粉化率降低了18%,其耐熱性及阻燃性也得到了明顯的改善?;糁闻靃23]通過(guò)引入膨脹石墨(EG)與玻璃纖維(GF)對(duì)聚氨酯材料協(xié)同改性,結(jié)果表明,采用EG與GF協(xié)同改性使試樣的質(zhì)量保持率有一定升高,當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃時(shí),試樣的質(zhì)量保持率上升了約5%,加入EG和GF可以在聚氨酯基體中發(fā)揮協(xié)同作用,表現(xiàn)為隨GF含量的升高,樣品的壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度發(fā)生了先增大后減小的現(xiàn)象。本文選擇玻璃纖維為摻雜材料,采用預(yù)混法制備了不同玻璃纖維摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料,并對(duì)該發(fā)泡材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了分析表征,力求尋找出最優(yōu)性能的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料。
短切玻璃纖維:硅烷類偶朕劑,直徑約為9~13 μm,長(zhǎng)度約為5~10 mm,含水率≤0.1%,江陰萬(wàn)千化學(xué)品有限公司;磷酸(H3PO4):分析純,濟(jì)南創(chuàng)通化學(xué)有限公司;氫氧化鋁(Al(OH)3):600目,分析純,淄博彤悅化工科技有限公司;碳酸鈣(CaCO3):600目,煙臺(tái)兆易生物科技有限公司;氧化鎂(MgO),分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氧化鋅(ZnO):密度為5.606 g/cm3,山東芊宇環(huán)保科技有限公司。
金屬磷酸鹽發(fā)泡材料的制備:利用預(yù)混法,將金屬氧化物與磷酸制成金屬磷酸鹽,然后再加入發(fā)泡劑碳酸鹽或碳酸氫鹽發(fā)泡反應(yīng)制成保溫材料,在室溫條件下發(fā)生固化反應(yīng),得到氣孔均勻、發(fā)泡完全的高效發(fā)泡保溫材料。
玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的制備:首先,稱取一定量的H3PO4;其次,按照化學(xué)計(jì)量比稱取Al(OH)3加入到H3PO4溶液中,攪拌30 min后將混合溶液放在90 ℃的恒溫水浴鍋中加熱反應(yīng)30 min,得到磷酸氫鋁鹽溶液;接著,按照計(jì)量比加入0%,3%,6%,9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的短切玻璃纖維,混合均勻后攪拌10 min;然后,待混合溶液冷卻到室溫后,按照計(jì)量比稱取MgO和ZnO逐步加入到磷酸氫鋁鹽溶液中,期間加入去離子水來(lái)保證磷酸氫鋁鹽溶液的粘度;最后,將CaCO3發(fā)泡劑逐步加入到混合溶液中并攪拌10 min后放入模具中,在室溫下靜置15 min后等待其發(fā)泡完全,再放入烘箱在80 ℃下烘烤3 h保證完全固化,得到玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料。
常用發(fā)泡材料的粉化率(易碎性)來(lái)反映發(fā)泡材料的韌性,一般情況下,低粉化率的泡沫材料,其粘接強(qiáng)度較高,且在施工過(guò)程中的粉塵污染也比較小。本文對(duì)玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的粉化率測(cè)試如下:將玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料試樣切取成20 mm×20 mm×20 mm 的泡沫板,放在360目砂紙上,把50 g的砝碼放在泡沫板上,然后均勻地拉動(dòng)泡沫板30次,計(jì)算拉動(dòng)前后的質(zhì)量損失率,即為發(fā)泡材料的粉化率。
在不同玻璃纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(0%,3%,6%,9%)摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料試樣的中線預(yù)留一個(gè)直徑為2 mm的孔,將熱電偶熱接點(diǎn)放置于該處,測(cè)試發(fā)泡材料的不燃性,對(duì)比燃燒前后的變化及質(zhì)量損失情況。
將制備的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的壓縮性能進(jìn)行了測(cè)試表征,具體結(jié)果如圖1所示。圖1為不同玻璃纖維(0%,3%,6%,9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖1可以看出,隨著玻璃纖維摻量的增加,玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的應(yīng)力和應(yīng)變都呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì),說(shuō)明發(fā)泡材料的韌性得到了明顯的改善,且改善幅度隨著玻璃纖維摻量的增加逐漸上升。當(dāng)玻璃纖維的摻量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的應(yīng)變達(dá)到0.1,應(yīng)力達(dá)到594 MPa。
圖1 玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig 1 Stress strain curves of glass fiber phosphate thermal insulation foaming material
圖2為不同玻璃纖維(0%,3%,6%,9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度。從圖2可以看出,隨著玻璃纖維摻量的增加,玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)玻璃纖維的摻量為0%時(shí),發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度為197 MPa;當(dāng)玻璃纖維的摻量從3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大,從270 MPa增加到450 MPa,增長(zhǎng)率為66.7%;當(dāng)玻璃纖維的摻量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大為497 MPa,相比玻璃纖維摻量為6%和0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的樣品,分別提高了10.4%和152.3%。
圖2 玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度Fig 2 Compressive strength of glass fiber phosphate thermal insulation foaming material
圖3為不同玻璃纖維(0%,3%,6%,9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的粉化率曲線。從圖3可以看出,隨著玻璃纖維摻量的增加,玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的粉化率呈逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)玻璃纖維的摻量分別為0%,3%,6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的粉化率分別為9.2%,8.8%,5.9%和5.4%,纖維摻量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的發(fā)泡材料相比于不摻雜的發(fā)泡材料,粉化率降低了41.3%。這主要是因?yàn)閾饺攵糖胁AЮw維后,玻璃纖維可以均勻分布于泡孔壁上,使發(fā)泡材料整體的粘度得到了增加,泡孔的穩(wěn)定性得到了提高,而排液能力被減弱,使得泡孔分布更均勻,且玻璃纖維的摻入,增強(qiáng)了泡孔的強(qiáng)度,使基體間的結(jié)合力更高,從而改善了發(fā)泡材料整體的抗壓強(qiáng)度和韌性。另外,由圖3可知,當(dāng)玻璃纖維的摻量從3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的粉化率降低了33.0%;當(dāng)玻璃纖維的摻量從6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的粉化率降低了8.5%。這主要是因?yàn)閾饺氲牟AЮw維過(guò)多,導(dǎo)致玻璃纖維在基體中的分布不均勻,出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象,使得發(fā)泡體和固化劑混合較差,小孔較多,局部應(yīng)力集中,內(nèi)部缺陷也隨之增多,所以發(fā)泡材料粉化率的降低速率會(huì)有所下降。
圖3 玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的粉化率曲線Fig 3 Powdering rate curve of glass fiber phosphate thermal insulation foaming material
圖4為不同玻璃纖維(0%,3%,6%,9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的燃燒前后的圖片。從圖4可以看出,4種玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料經(jīng)過(guò)不燃性測(cè)試后,形貌和體積的變化不大,只是表面出現(xiàn)炭化現(xiàn)象;當(dāng)玻璃纖維的摻量為6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失,相對(duì)于其它樣品的炭化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。
圖4 玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料燃燒前后的圖片F(xiàn)ig 4 Pictures of glass fiber phosphate thermal insulation foaming material before and after combustion
圖5為不同玻璃纖維(0%,3%,6%,9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料在不燃性測(cè)試中的質(zhì)量損失率,在測(cè)試過(guò)程中所有發(fā)泡材料均未見(jiàn)有火焰產(chǎn)生,爐內(nèi)溫升<20 ℃。從圖5可以看出,隨著玻璃纖維摻量的增加,不燃測(cè)試中發(fā)泡材料的質(zhì)量損失率逐漸升高。當(dāng)玻璃纖維的摻量分別為0%,3%,6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的質(zhì)量損失率分別為18.7%,19%,23.6%和24.4%,可見(jiàn)玻璃纖維的摻入會(huì)增加發(fā)泡材料的質(zhì)量損失。這主要是因?yàn)殡S著玻璃纖維摻量的增加,為保證粘度合適,需要加入適量的水分,這些水分在固化中揮發(fā)較慢,在不燃性測(cè)試中會(huì)隨著時(shí)間的進(jìn)行而蒸發(fā),從而導(dǎo)致了發(fā)泡材料的質(zhì)量損失。
圖5 玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的質(zhì)量損失率Fig 5 Mass loss rate of glass fiber phosphate thermal insulation foaming material
保溫材料隔熱性能的差異性主要是由導(dǎo)熱系數(shù)的大小來(lái)評(píng)定的,本文采用了穩(wěn)態(tài)平板法對(duì)不同玻璃纖維(0%,3%,6%,9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,隨著玻璃纖維摻量的增加,發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)并無(wú)明顯的變化,這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用短切玻璃纖維尺寸較小,在基本中分布較為均勻,沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,對(duì)發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有產(chǎn)生較大的影響。
表1 玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)Table 1 Thermal conductivity of glass fiber phosphate thermal insulation foaming material
圖6為不同玻璃纖維(0%,3%,6%,9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻量的玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的熱失重曲線。從圖6可以看出,隨著玻璃纖維摻量的增加,發(fā)泡材料的熱失重逐漸增大,與前述分析的質(zhì)量損失率逐漸升高相吻合。4種玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料在0~750 ℃范圍內(nèi)發(fā)生了3段熱分解:在0~239 ℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失為13.97%,主要是由于基體中固化反應(yīng)產(chǎn)生的水分、固化劑溶劑等揮發(fā)導(dǎo)致的;在239~310 ℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失為40.47%,主要是由于發(fā)泡材料的基體發(fā)生了分解,分子鏈的斷裂產(chǎn)生了水和一氧化碳等,導(dǎo)致了該階段的質(zhì)量損失較為嚴(yán)重;在310~750 ℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失為40.47%,主要是由于發(fā)泡材料發(fā)生了炭化導(dǎo)致的。
圖6 玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的熱失重曲線Fig 6 Thermogravimetric curves of glass fiber phosphate thermal insulation foaming material
(1)隨著玻璃纖維摻量的增加,玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的應(yīng)力和應(yīng)變都呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì),當(dāng)玻璃纖維的摻量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的應(yīng)變達(dá)到0.1,應(yīng)力達(dá)到594 MPa。
(2)隨著玻璃纖維摻量的增加,玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)玻璃纖維的摻量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大為497 MPa,相比玻璃纖維摻量為6%和0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的樣品,分別提高了10.4%和152.3%。
(3)隨著玻璃纖維摻量的增加,玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料的粉化率呈逐漸降低的趨勢(shì),但降低率逐漸減小,當(dāng)玻璃纖維的摻量從3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的粉化率降低了33.0%;當(dāng)玻璃纖維的摻量從6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),發(fā)泡材料的粉化率降低了8.5%。
(4)4種玻璃纖維-磷酸鹽保溫發(fā)泡材料經(jīng)過(guò)不燃性測(cè)試后,形貌和體積的變化不大,只是表面出現(xiàn)炭化現(xiàn)象,隨著玻璃纖維摻量的增加,發(fā)泡材料的質(zhì)量損失率和熱失重逐漸升高。
(5)隨著玻璃纖維摻量的增加,發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)并無(wú)明顯的變化,說(shuō)明發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)與玻璃纖維的摻量并無(wú)明顯關(guān)系。