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水玻璃发泡保温材料的制备*

2016-08-16崔荣徐泽丰金江张华

无机盐工业 2016年1期
关键词:氯化铝硬化剂水玻璃

崔荣,徐泽丰,金江,张华

(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009)

水玻璃发泡保温材料的制备*

崔荣,徐泽丰,金江,张华

(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏南京210009)

以钠水玻璃为主要原料,制备得到具有良好隔热效果的无机轻质发泡保温材料。利用TG-DSC确定加热温度,扫描电镜表征材料的微孔结构。研究了粉煤灰、氯化铝及有机硅对材料性能的影响,通过添加粉煤灰和氯化铝提高材料的抗压强度,加入憎水剂提高材料的憎水性。实验表明:水玻璃中添加12%(质量分数)的粉煤灰,4.5%(质量分数)的氯化铝和0.8%(质量分数)的有机硅,加热温度为250℃,制备出的保温材料抗压强度为0.81MPa,接触角为159°,材料在100℃下保温10 h的收缩率为1.91%。

水玻璃;保温材料;抗压强度;憎水性

目前保温材料主要为有机保温材料和无机保温材料两类。常用的有机材料存在的缺陷是易燃,虽然一些有机材料具有一定的阻燃性,但在火灾中会产生大量的有毒有害的气体[1]。因此防火性能优异的无机保温材料在建筑行业受到广泛应用。蒋晓勇等[2]利用微波加热方法发泡水玻璃制备了耐温性好的保温材料。马建春[3]报道了泡沫水玻璃保温材料的制备与性能,制备的泡沫水玻璃保温材料具有密度小、导热系数低、保温性好的特点。水玻璃是硅酸盐水溶液,价格便宜。水玻璃受热后发泡形成白色多孔材料,是一种轻质、不燃及具有良好保温性能的无机材料,但材料的抗压强度较低,憎水性较差。本研究通过添加粉煤灰与氯化铝提高材料的抗压强度,添加有机硅提高材料的憎水性,制备出的无机轻质保温材料具有良好的憎水性和强度高、保温性能好等优点。

1 实验部分

1.1保温材料制备方法

量取100mL水玻璃[模数(硅钠物质的量比)为3.2]置于坩埚中,添加适量添加剂(粉煤灰、硬化剂氯化铝和憎水剂有机硅),用搅拌机搅拌1~3min使之分散混合均匀,倒入模具,置于马弗炉中加热,发泡完全后冷却脱模,制备样品进行相关性能测试。

1.2保温材料性能测试

1)综合热分析(TG-DSC):采用NETZSCH STA 449C型综合热分析仪观察水玻璃发泡温度。

2)微观结构的表征:采用JSM-5900扫描电子显微镜观察发泡保温材料的微孔结构。

3)表观密度的测定:将样品置于100℃烘箱内干燥至恒重,放入干燥皿内冷却,用电子天平称量样品的质量,用游标卡尺测量样品尺寸,根据密度为质量与体积之比求出样品密度(g/cm3)。

4)抗压强度的测定:将样品烘至恒重后,用电子万能试验机测试当样品应变为10%时的抗压强度(MPa)。

5)导热系数的测定:在室温条件下用TSP2500热导率常数测试仪测试导热系数[W/(m·K)]。

6)软化系数的测定:软化系数为样品在水饱和状态下抗压强度与干燥状态下的比值。

以上测试每组取5个样品,除去一个最高值和一个最低值,取平均值后作为测试结果。

2 实验结果与讨论

2.1水玻璃综合热分析TG-DSC曲线

水玻璃发泡制备多孔保温材料过程中,发泡温度对于材料的微孔结构有着重要的影响,利用TG-DSC来确定合适的加热温度。图1为水玻璃的TG-DSC图。如图1所示水玻璃加热后的TG曲线初始阶段逐渐向下,说明温度较低时,水玻璃中的自由水分在逐渐蒸发。在140℃左右时,DSC曲线上出现吸热峰,并且TG曲线上质量迅速减少,表明水玻璃开始发泡。当温度为250℃时,发泡材料质量不再大幅减少,表明水玻璃发泡基本完成。考虑到实际生产中应节约成本,将温度设置在250℃是比较合理的。

图1 水玻璃的TG-DSC图

2.2保温材料的扫描电镜图

图2为材料的扫描电镜图。由图2a可以看出制备得到的发泡材料为层片状疏松多孔的结构;由图2b可知,材料表面被放大至1 000倍时层片状结构较明显,薄片堆积成多孔结构,薄片的厚度为2~3μm。薄片之间具有空隙,堆积之后形成了含有大量空气的微孔结构。在热量传递过程中,结构内空气的导热系数远远小于材料的导热系数,有效地降低了材料的热传导,同时闭孔结构的存在使得周围的空气无法经过该材料内部,降低了周围空气的对流。因此这种材料可以有效地降低热量的散失。

图2 水玻璃发泡保温材料的S EM图

2.3粉煤灰对保温材料性能的影响

水玻璃直接发泡的保温材料抗压强度较低,实验中选择加入一定量的粉煤灰以提高其抗压强度。粉煤灰的添加量(质量分数)为3%、6%、9%、12%、15%、18%、21%。图3为粉煤灰添加量对材料抗压强度的影响。图4为粉煤灰添加量对材料导热系数、密度的影响。由图3、图4可知,添加粉煤灰可以大幅度提高材料的抗压强度,但是添加量超过12%时,粉煤灰的增强作用变弱。其次,粉煤灰虽然会提高保温材料的抗压强度,但也会提高材料的导热系数,降低材料的保温性能。添加12%的粉煤灰,材料的导热系数没有大幅增加,抗压强度由0.3MPa增大至0.7MPa。

图3 粉煤灰添加量对材料抗压强度的影响

图4 粉煤灰添加量对材料导热系数、密度的影响

粉煤灰包含了多孔型炭粒和多孔铝硅玻璃体,粒径范围为0.5~300μm,具有较大的比表面积。多孔结构玻璃微珠孔隙率高达50%~80%,有较强的吸附能力[4],能够吸附一定量水玻璃中的自由水分,增大了发泡时整个溶液的黏度,黏度增大会抑制气泡的增长,发泡体积减小,材料的密度增大。同时,由于水玻璃溶液自身具有一定的黏度,这就使得粉煤灰能够均匀地分散在水玻璃中,粉煤灰填充在水玻璃发泡形成的固体材料中,使材料的密度增大,增大了材料抗压强度。

与此同时,水玻璃与粉煤灰之间发生反应,混合之后铝硅玻璃相在碱性激发剂作用下发生解聚,形成[AlO4]四面体与[SiO4]四面体。随后低聚态的[AlO4]四面体与[SiO4]四面体发生缩聚,形成[Ma(AlO2)b(SiO2)c·n MOH·m H2O]胶体,在粉煤灰颗粒的表面上沉淀下来形成一层包覆膜,称为粘接膜,将多余的粉煤灰粘接在一起[5],从而提高了材料的抗压强度。

2.4硬化剂添加量对水玻璃基发泡材料性能的影响

加入少量的硬化剂不仅可以缩短材料固化时间,而且可以让材料固化趋于完全,提高材料抗压强度,降低吸水率,提高软化系数。硬化剂的种类主要有磷酸盐、氯化铵、氯化镁和结晶氯化铝等[6]。选取磷酸氢二钠、氯化镁、氯化铵和结晶氯化铝作为硬化剂,结果如表1所示。

表1硬化剂的选择对比实验结果硬化剂种类是否影响发泡固化强度其他缺点磷酸氢二钠是低成本高氯化镁否较高硬化层薄氯化铵否较高产生氨气氯化铝否高无

根据表1可知,氯化铝作为硬化剂使得体系固化强度高,硬化层厚,同时不产生有害气体。以添加12%粉煤灰的水玻璃为基础,测试了氯化铝硬化剂添加量对材料抗压强度的影响,结果见图5。图5表明,随硬化剂添加量的增加,材料的抗压强度逐渐增大。由于加热时并不能使水玻璃中的硅酸完全缩合,氯化铝与未缩合硬化的水玻璃反应生成二氧化硅凝胶[7],对松散的粉煤灰起到胶凝固化作用,与粉煤灰粘成固结层,对粉煤灰起固定作用,硬化剂与水玻璃反应可以使粉煤灰的胶凝固化作用更完全,从而使体系的抗压强度增大。图5数据显示,硬化剂添加量超过4.5%(质量分数,下同)后,材料的抗压强度增加趋缓,考虑成本等综合因素,确定硬化剂的添加量为4.5%,此时材料的抗压强度为0.81MPa。

图6为硬化剂添加量对发泡水玻璃保温材料软化系数和吸水率的影响。由图6可知,硬化剂的加入有效提高了材料的软化系数,降低了吸水率。加入氯化铝使得体系的黏度增大,一定程度上抑制了气泡的体积增长,同时氯化铝自身黏度较大,使得氯化铝硬化剂形成的硬化层较厚,水向材料内部渗透速度慢,提高了材料的耐水性能。

图5 硬化剂添加量对材料抗压强度的影响

图6 硬化剂添加量对材料软化系数、吸水率的影响

硬化剂的加入提高了发泡水玻璃保温材料的抗压强度,但可能对材料的保温性能产生不利影响。因此,考察了硬化剂添加量对发泡保温材料密度与导热系数的影响,结果见图7。由图7可知,在氯化铝添加量小于4.5%时,材料密度和导热系数的增大随着硬化剂的增加较为平缓,而当氯化铝添加量超过4.5%时,材料的密度和导热系数均迅速增大。因此,4.5%是一个较为合适的硬化剂添加量。性能测试结果显示,水玻璃中添加12%粉煤灰、4.5%氯化铝加热发泡制得的保温材料密度为0.229 g/cm3,导热系数为0.062 2W/(m·K)。

图7 硬化剂添加量对材料密度和导热系数的影响

2.5憎水剂添加量对水玻璃基发泡材料性能的影响

水玻璃基发泡材料中存在亲水性的Na+和OH-,发泡固化的水玻璃吸水后,结构中的Si—O—Si键会被破坏,使键断裂而重新溶于水。有机硅与水玻璃发泡材料之间存在着较强的化学亲和力,能够有效地改变材料表面的特性[8]。加入有机硅憎水剂可降低材料的吸水率,提高材料的软化系数。

图8、图9为憎水剂添加量对发泡水玻璃保温材料表面憎水性和材料透水性的影响。由图8、图9可见,材料表面接触角随憎水剂添加量的增加逐渐增大,憎水剂添加量达到0.6%(质量分数,下同)以后趋于平衡,同时,材料的透水量逐渐减小。憎水剂加入后在水玻璃固体表面形成了一层不溶于水的聚有机硅氧烷树脂膜,硅烷结构中甲基朝外,从而产生憎水性。随着憎水剂添加量的增加,该膜在材料表面附着的面积也越大,使水在材料表面的接触角增大,材料的憎水性增强。当材料表面全部覆盖了憎水膜后,憎水剂添加量的进一步增大并不能继续改善材料表面憎水性能,材料表面接触角和材料透水性均趋于定值。考虑到实际应用中,雨水对材料会有一定的冲刷,因此选择憎水剂添加量为0.8%。结果显示,憎水剂添加量为0.8%的发泡水玻璃保温材料表面与水的接触角达到了159°,具有良好的憎水性,实验效果如图10所示。

图8 憎水剂添加量对材料接触角的影响

图9 憎水剂添加量对材料透水量的影响

图1 0保温材料憎水性效果图

2.6温度与水玻璃发泡材料收缩率的关系

材料的收缩率反映了材料的耐温性能,在同一温度下保温时间越长材料的收缩率越大,说明材料的耐温性越差。钠水玻璃溶液包含了Na+,使得形成的发泡材料既不耐水也不耐高温。水玻璃在发泡固化过程中发生了反应,形成了结构稳定的三维网状结构,但是Na+的存在会降低材料的熔点,Na+越多,熔点降低的越明显。随着温度的升高,熔点较低的多孔膨胀发泡材料的结构发生塌落,从而使材料发生形变,收缩率明显增大。

本实验中,材料的收缩率以材料升温至某一温度下保温10 h后测量得到。实验材料为添加12%粉煤灰、4.5%硬化剂和0.8%憎水剂的发泡保温材料,对比样为纯水玻璃发泡材料。温度对水玻璃发泡材料收缩率的影响见图11。如图11所示,随着温度的升高,水玻璃发泡材料的收缩率越来越大。当温度为100℃时,纯水玻璃发泡材料收缩率达到4%,但添加了外加剂的保温材料收缩率只有2.5%,且在400℃前,收缩率增长趋势较平缓,这说明此温度范围内,材料具有较好的耐温性能。粉煤灰自身可耐温度远远高于400℃,它作为细骨料均匀分散在材料中,当发泡结构欲塌陷时,粉煤灰起到了支撑作用[9],降低了材料的收缩率。且硬化剂氯化铝的加入进一步凝结了松散的粉煤灰,粉煤灰的支撑作用进一步增大,从而降低了材料的收缩率。

图1 1温度对水玻璃发泡材料收缩率的影响

3 结论

水玻璃发泡制备的疏松多孔的材料是一种轻质无机保温材料,由于具有优异的防火性能与隔热性能使得在保温领域逐渐受到关注。对水玻璃发泡保温材料的改性研究表明:1)以水玻璃为主要原料,添加12%粉煤灰、4.5%氯化铝和0.8%有机硅加热制备出的保温材料抗压强度为0.81 MPa,接触角为159°,具有较高的抗压强度和良好的憎水性。2)水玻

璃发泡制备的保温材料密度为0.229 g/cm3,导热系数为0.062 2W/(m·K),具有良好的保温性能。3)该保温材料在100℃时,材料的收缩率仅为2.5%,在400℃之前收缩率增长趋势平缓,具有良好的耐温性能。

[1]金玉杰,李义.浅谈无机保温材料在建筑中的应用与发展[J].吉林建筑工程学院学报,2012,29(6):17-19.

[2]蒋晓勇,练国锋,张华,等.微波加热水玻璃制备多孔轻质隔热材料[J].陶瓷学报,2012,33(2):198-202.

[3]马建春.热固化复合不燃隔热材料——泡沫水玻璃[J].墙材革新与建筑节能,2012(8):47-48.

[4]徐子芳,张明旭,郜超,等.粉煤灰聚苯乙烯新型保温建筑材料的制备及其机理分析[J].环境工程学报,2011,5(1):214-218.

[5]康永.浅析水玻璃涂料固化机理及提高其耐水性的途径[J].上海涂料,2011,49(9):33-37.

[6]朱纯熙,卢晨.水玻璃硬化的认识过程[J].无机盐工业,2001,33(1):22-25.

[7]何明生,李建保,林红,等.结晶氯化铝固化水玻璃的机理研究[J].硅酸盐通报,2008,27(5):1006-1009.

[8]郑其俊,陆琴芳.保温材料憎水性研究[J].保温材料与节能技术,1994(4):11-14.

[9]曾小军,刘维良,李阳城,等.泡沫粉煤灰保温砖的制备与性能研究[J].中国陶瓷工业,2013,20(4):11-14.

联系方式:jinjiang@njut.edu.cn

Preparation of sodium silicate foam insulationmaterial

CuiRong,Xu Zefeng,Jin Jiang,Zhang Hua

(SchoolofMaterials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China)

The inorganic lightweight foam materials with excellent thermal insulation were prepared using sodium silicate as main raw materials.The heating temperature was determined by TG-DSC.The microporous structure of foaming material was characterized by scanning electron microscope.The influence of fly ash,aluminum chloride,and silicone on the properties of the material was studied.Compressive strength was improved by the addition of the fly ash and aluminum chloride.The hydrophobicity was enhanced by adding silicone.The lightweight sodium silicate foam insulator with additive of 12%(mass fraction,same below) fly ash,4.5%aluminum chloride,and 0.8%silicone was prepared by controlling the heating temperature at 250 ℃. The prepared inorganic lightweight foam materials showed enhanced compressive strength of 0.81 MPa,better hydrophobicity with contact angle of 159°,and lower shrinkage percentage of 1.91% at 100 ℃ for 10 h.

sodium silicate;insulationmaterial;compressive strength;hydrophobicity

TQ114.5

A

1006-4990(2016)01-0021-04

江苏省高校优势学科建设工程自主项目。

2015-07-12

崔荣(1988—),男,硕士研究生,主要研究方向为无机保温材料。

金江

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