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

工業(yè)高溫部件如窯爐表面、染缸和高溫管道的保溫隔熱是工業(yè)生產(chǎn)中節(jié)能降耗、減少運(yùn)行成本以及確保安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前，巖棉制品、發(fā)泡陶瓷、泡沫玻璃和膨脹珍珠巖等被廣泛使用，這些傳統(tǒng)保溫材料本身導(dǎo)熱系數(shù)較低，可起到有效的保溫隔熱作用[2-5]。但因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易開裂、脫落導(dǎo)致保溫效果降低，且使用壽命短。同時更換時產(chǎn)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(yè)時會飛散出細(xì)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(yè)應(yīng)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(yōu)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(dú)特的骨架構(gòu)型、大的比表面積以及豐富的孔隙結(jié)構(gòu)使其具有熱導(dǎo)率低、密度小、孔隙率高等優(yōu)異性能。多孔保溫材料已經(jīng)取得了一定的進(jìn)步。XU等采用化學(xué)發(fā)泡法用 H₂O₂ 制備新型粉煤灰基地質(zhì)聚合物泡沫材料的熱導(dǎo)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(qiáng)度和孔特性的影響。魏鑫等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) H₂O₂ 摻量為 7.5% 時，制備的陶粒總孔隙率為 69.22% ，導(dǎo)熱系數(shù)為0.093W?（m?k）^-1 。但上述多孔材料普遍具有導(dǎo)熱系數(shù)高的缺點(diǎn)，缺少孔結(jié)構(gòu)與其保溫性能的研究，目前對多孔保溫材料的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能的研究還缺乏系統(tǒng)的成果。

本研究以煅燒硅藻土為原料，以 H₂O₂ 為發(fā)泡劑硬脂酸鈉為穩(wěn)泡劑，制備一種多孔輕質(zhì)保溫材料，通過優(yōu)化孔的形成和孔的結(jié)構(gòu)，降低導(dǎo)熱系數(shù)，同時提高材料的力學(xué)性能。這種材料能通過漿料一次成型獲得，因此，不會有細(xì)小纖維飛散，對工作環(huán)境友好。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

原料：煅燒硅藻土（BX00689，河南博旭環(huán)?？萍加邢薰镜墓柙逋两?jīng)800 °C 煅燒）;黏土（400目，江蘇鼎邦礦產(chǎn)品有限公司）；玻璃纖維（長度 2cm ，長沙檸祥建材有限公司）；發(fā)泡劑（純度為 30% 的H₂O₂ ，國藥集團(tuán)）；穩(wěn)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(tuán)）；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(mào)有限公司）。

儀器設(shè)備：微機(jī)控制抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)（YAW-300D，濟(jì)南新時代試驗(yàn)儀器有限公司）；熱流法導(dǎo)熱儀（HFM446LambdaSMALL，德國耐馳公司）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1多孔輕質(zhì)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(jī)以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌 3min ，使其成為均勻漿體。將 H₂O₂ 與催化劑預(yù)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(jīng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以煅燒硅藻土質(zhì)量為基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)6組 H₂O₂ 量、6組穩(wěn)泡劑量實(shí)驗(yàn)，測試多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓和抗折強(qiáng)度，選取最佳發(fā)泡劑量與穩(wěn)泡劑量。

1.2.3 保溫材料孔結(jié)構(gòu)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(jù)無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法（GB/T5486-2008）烘十至恒重，測其體積，計(jì)算密度。導(dǎo)熱系數(shù)：根據(jù)絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計(jì)法（GB/T10295-2008）采用HFM446Lambda型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，測多孔保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)?？箟?、抗折強(qiáng)度：按照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）（GB/T17671），采用標(biāo)準(zhǔn)棱柱試件尺寸為 160mm×40mm×40mm 。

2 結(jié)果與討論

2.1 H₂O₂ 量對材料孔結(jié)構(gòu)與性能的影響

2.1.1 H₂O₂ 量對孔結(jié)構(gòu)的影響

多孔材料的力學(xué)性能和隔熱性能受氣孔大小、形狀、數(shù)量以及在基體內(nèi)分布影響。圖2為不同 H₂O₂ 量多孔保溫材料孔結(jié)構(gòu)經(jīng)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(zhì)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(dāng) H₂O₂ 量達(dá)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，F(xiàn)eret徑達(dá)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(dǎo)致孔隙率減小。出現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)力增加過快。但 H₂O₂ 超過 6% ，氣泡動力大于漿體剪切應(yīng)力，通過擴(kuò)散與孔壁破裂導(dǎo)致氣體逸出量足夠多，此時通過原位產(chǎn)生的氣體補(bǔ)充難以滿足，導(dǎo)致塌陷，部分漿體進(jìn)人孔隙，導(dǎo)致孔隙率降低，進(jìn)而改變孔結(jié)構(gòu)。

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(zhì)保溫材料的孔形狀因子呈現(xiàn)遞增的趨勢。當(dāng) H₂O₂ 量為 3% 時，形狀因子最小，此時最接近球形，繼續(xù)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(fā)泡劑會改變氣孔的變形程度，不利于其本身的性能?？赡苁?H₂O₂ 分解產(chǎn)生氣體使體積膨脹，適量的發(fā)泡劑會在漿體中形成良好的孔形狀，會優(yōu)化多孔輕質(zhì)材料隔熱性能。

Feret徑能準(zhǔn)確反映 H₂O₂ 對多孔輕質(zhì)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(biāo)表示孔徑范圍，縱坐標(biāo)表示此孔徑范圍內(nèi)氣孔數(shù)量?？梢钥闯?，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(dāng)摻量為 6% 時，F(xiàn)eter徑分布比較均勻且達(dá)到最大閉孔，故選 6% 為最佳發(fā)泡劑量。

2.1.2 H₂O₂ 量對力學(xué)性能的影響

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

31.88% 。根據(jù)目前國家對建筑保溫材料性能要求，抗壓強(qiáng)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(nèi)部孔隙數(shù)量增加、孔壁變薄，應(yīng)力更容易集中在孔隙結(jié)構(gòu)中，形成裂縫?？紫恫牧系膹?qiáng)度會隨著孔隙的出現(xiàn)而迅速降低，這與 H₂O₂ 含量對孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)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(zhì)保溫材料進(jìn)行導(dǎo)熱測試，并測其密度，結(jié)果如圖7所示。 H₂O₂ 量增加其導(dǎo)熱系數(shù)與干密度均呈先下降再上升的趨勢。 H₂O₂ 量超過5% 導(dǎo)熱系數(shù)降低變緩。 H₂O₂ 量為 6% ，導(dǎo)熱系數(shù)、干密度分別達(dá)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(nèi)部之間變成空氣連通導(dǎo)致熱性能降低。當(dāng)閉合氣孔內(nèi)產(chǎn)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(jié)合成為大氣孔，直接沖破孔壁對其的阻力，出現(xiàn)部分凹陷坍塌的情況，導(dǎo)熱系數(shù)在 6% 后呈現(xiàn)增加的趨勢。故綜合考慮選最優(yōu)發(fā)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(jì)[13]。就干燥隔熱材料而言，總導(dǎo)熱系數(shù)為[15-16]： k_tot=k_s+k_g+k_rad° 其中， 固體熱導(dǎo)率； k_g 為氣體熱導(dǎo)率； k_rad 為輻射熱導(dǎo)率，單位為 W?（m?k）^-1 結(jié)合熱量傳遞方式分析，多孔材料的內(nèi)部是封閉的空氣，以熱傳導(dǎo)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(yōu)良的隔熱性能[7]H₂O₂ 引入使得大量中空結(jié)構(gòu)延長了熱流傳遞的路徑導(dǎo)致熱量傳遞速率減慢，達(dá)到了保溫隔熱效果，可由圖8多孔輕質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于固體導(dǎo)熱系數(shù)[，所以此路徑熱阻較大。多孔材料熱傳導(dǎo)以第2條路徑為主，以此增強(qiáng)隔熱效果。

2.2穩(wěn)泡劑量對材料孔結(jié)構(gòu)與隔熱性能的影響

氣泡是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)易受所處環(huán)境干擾而導(dǎo)致破裂1。采用穩(wěn)泡劑可以提高氣泡的穩(wěn)定性2。從圖9穩(wěn)泡劑量孔徑分布可以看出，穩(wěn)泡劑量增加，有效降低了孔徑不均勻的現(xiàn)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(jié)果表明，穩(wěn)泡劑的引入有效提高了氣泡的穩(wěn)定性。從而導(dǎo)致大孔徑減少，氣孔分布更均勻，但穩(wěn)泡劑量過高，小孔徑的連通與合并會改變孔的總體結(jié)構(gòu)。

圖10為穩(wěn)泡劑量對干密度與導(dǎo)熱系數(shù)的影響，穩(wěn)泡劑量在小于 2.5% 時，其性能呈現(xiàn)優(yōu)化的趨勢，超過 2.5% 其保溫性能降低，達(dá)到 2.5% 時，最低干密度為 311.5kg?m^-3 ；最低導(dǎo)熱系數(shù)為0.0603W/（m?k）^-1 。

這是因?yàn)榉€(wěn)泡劑實(shí)質(zhì)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(qiáng)度[21-22]，使排液不易發(fā)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(wěn)泡劑量增加而持續(xù)減少。綜合孔結(jié)構(gòu)與保溫隔熱性能分析，選取 2.5% 為最佳穩(wěn)泡劑量。

3結(jié)論

1）以煅燒硅藻土為主要原料、硬脂酸鈉為穩(wěn)泡劑，添加適量外加劑，利用 H₂O₂ 進(jìn)行化學(xué)發(fā)泡制備一次性成型的多孔輕質(zhì)保溫材料是可行的。

2）結(jié)合ImageJ圖像軟件分析獲悉 H₂O₂ 量為6% 、穩(wěn)泡劑量為 2.5% ，多孔保溫材料具有優(yōu)良的孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)和隔熱性能。多孔材料孔結(jié)構(gòu)與干密度、孔隙率、力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)具有良好的相關(guān)性。

3）從傳熱學(xué)的角度分析多孔輕質(zhì)保溫材料的隔熱機(jī)理，多孔材料中氣體的引入增加了孔隙率，從而降低了導(dǎo)熱系數(shù)。最終制得多孔保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)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