非金属矿物材料在无机保温材料中的应用及进展

2019-01-03张红林王翠翠

中国非金属矿工业导刊 2019年4期

张红林，王翠翠，杨辉，南瑶，王鸽

（1.咸阳非金属矿研究设计院有限公司，陕西咸阳 712021；2.陕西科技大学，陕西西安 710021）

近年来，能源问题日益严峻，已成为世界各国关注的焦点。建筑能耗在社会总能源消耗中占比约为30%～40%，绝大部分是因为采暖和空调消耗的能源。因此，研究建筑保温隔热材料，实现建筑节能减排具有重要意义[1]。

保温材料通常为多孔材料，具有较高的隔热性能，通过降低导热系数来实现保温隔热，一般封闭气孔越多，材料的保温隔热性能越好。目前，市场现有很多保温材料存在保温隔热、耐久、阻燃、施工等性能无法协调的问题，不能满足建筑保温的要求，因此，寻求与研究一种能大大提高保温材料隔热性能的新型无机材料仍是目前建筑保温材料的重要课题。

1 保温材料的分类

保温材料有按材质、使用温度、形态、结构等多种分类方式。通常按材质将保温材料分为有机保温材料、无机保温材料、复合保温材料三类。其中以聚苯颗粒、发泡聚苯板(EPS)、挤塑聚苯板(XPS)、酚醛泡沫等为代表的有机保温材料因保温性能好、吸水率低、生产成本低等优势占据了较大的市场份额(85%以上)[2-5]，而岩棉板、玻化微珠砂浆、发泡水泥、泡沫玻璃、发泡陶瓷等无机保温材料和胶粉聚苯颗粒保温浆料、玻化微珠EPS板、颗粒复合浆料等复合保温材料由于保温、吸水、施工等性能缺陷和生产成本高等因素，实际应用量较低。

2 保温材料的选材要求

保温材料是一种减缓由传导、对流、辐射产生的热流速率的材料，导热系数是其最重要的性能指标，导热系数越小，材料保温性能越好[4]。仅就一般的居民建筑外墙的保温而言，使用保温围护材料后，比没有使用保温材料的建筑节能40%～70%，因此开发和应用高效的保温绝热材料是建筑节能的有效措施。

保温就是要最大限度地阻抗热流的传递，因此要求绝热材料必须具有大的热阻和小的导热系数。从材料的组成上看，一般有机高分子的导热系数都小于无机材料；非金属的导热系数小于金属材料；气态物质的导热系数小于液态物质；液态物质小于固体。

从材料的结构上看，当材料的表观密度降低、孔隙率增大、孔隙为大量封闭微小孔时，材料的导热系数会比较小。如泡沫塑料制品，要满足保温绝热材料的要求，其最佳的表观密度为16～40kg/m3。由于孔隙的存在，材料在潮湿环境下易吸水，而水的导热系数(0.581 5W/m/K)比静止空气的导热系数(0.023 3W/m/K)要大很多，因此，当环境湿度增大时，材料的平衡含水率增大，导热系数将会降低。因此作为保温绝热材料，其自身的吸水率要尽量低，必要时需对材料进行憎水处理或用防水材料包覆。另外，保温绝热材料还必须能抵抗一定的冲击荷载，具有与使用环境相一致的力学强度，粘结性能要好，收缩率小，具有与环境相适应的耐久性。

3 非金属矿物材料在无机保温材料中的应用

随着有机保温材料易燃烧、易老化、安全性差等问题的凸显，无机保温材料作为一种难燃材料便成为保温行业发展的重要方向，如何降低无机保温材料的导热系数及吸水率也成为了科研工作的重点，非金属矿物材料作为无机保温材料的主要原料，也备受关注。下面以几种不同类型非金属矿物材料为例，介绍非金属矿物材料在无机保温材料中的应用。

3.1 矿物棉

矿物棉是岩(矿)棉和玻璃棉的统称，是一种纤维状非金属矿物材料，具有质轻、热导率低(导热系数为0.034W/m/K)、耐腐蚀、化学性能稳定、难燃等特性。矿物棉是由玄武岩、辉绿岩、高炉矿渣或玻璃高温熔融，离心甩丝而制成，生产成本相对较高[3，6]。矿物棉在国外建筑保温中应用较多，生产应用技术相对较成熟，在建筑工程上可用于外墙体、屋面、门窗等，也可用于热力设备及管道的保温。为解决矿物棉吸水率高的缺陷，满足使用要求，矿物棉多以复合保温材料的形式应用。陈攻等[7]以岩棉、铝箔、憎水剂为原料，经处理、复合成型、干燥等制备得到岩棉复合保温材料，使保温材料的热辐射损失降低，热效率提高。万桥[8]以岩棉保温板、冷拔低碳钢丝、聚合物砂浆等材料设计了热工性能良好的岩棉复合型保温模板，能够满足建筑保温工程的要求。从当前矿物棉研究和应用的趋势来看，复合是其发展的必由之路。

3.2 膨胀珍珠岩

膨胀珍珠岩是一种多孔非金属矿物，是由珍珠岩在高温条件下膨胀而成，具有无毒无味、保温、抗腐蚀、耐高温、难燃等特性，在建筑等多个领域均有广泛应用。膨胀珍珠岩在建筑领域直接填充涂抹在墙体或屋顶，或以板材形式装配在墙面，从而对建筑物起到隔热保温的作用[9]。随着研究工作的深入，膨胀珍珠岩制品也发展出了许多种类，如水玻璃膨胀珍珠岩制品、水泥膨胀珍珠岩制品、磷酸盐膨胀珍珠岩制品、沥青膨胀珍珠岩制品、膨胀珍珠岩泡沫玻璃等。冯武威等[10]利用矿物聚合法，以膨胀珍珠岩为主要原料，以富钾铝硅酸盐岩的焙烧熟料作配料，掺以少量的煅烧高岭石或粉煤灰制备出了表观密度、抗压强度、质量含水率、导热系数等满足标准的新型膨胀珍珠岩保温材料。李刚等[11]以膨胀珍珠岩和碎玻璃为主要原料制备得到了隔热保温性能较好的膨胀珍珠岩泡沫玻璃。膨胀珍珠岩具有良好的保温性能，但其较高的吸水率和粉化率又制约着其保温性能的发挥，因此要发挥好其特性，还需要做好憎水改性及胶凝材料的研究和开发。

3.3 玻化微珠

玻化微珠是具有表面玻化层的多孔非金属矿物材料，是利用松脂岩型的珍珠岩高温加工而成，与膨胀珍珠岩相比，玻化微珠具有内部孔隙的同时，表面还有玻化层，因此克服了膨胀珍珠岩吸水率大、易粉化、在料浆搅拌中体积收缩率大的缺陷，因此被用作保温砂浆的重要材料之一[12]。玻化微珠保温砂浆是一种适用于建筑内外墙粉刷的新型保温节能砂浆材料，是以玻化微珠颗粒和胶凝材料等共同构成的干粉砂浆，具有防火防冻、节能利废、耐老化、价格低廉和保温隔热等特点[13]。李小龙等[14]以玻化微珠和珍珠岩为轻质骨料，水泥和粉煤灰为粘结剂以及适量的VAE乳液和纤维，制备出保温性能和施工性能较优的玻化微珠保温板。虽然玻化微珠比膨胀珍珠岩部分性能有优化，但目前其加工工艺还不够完善，玻化微珠的玻化率还达不到要求，还需要进一步改进提升。

3.4 海泡石

海泡石是一种纤维状多孔非金属矿物材料，具有极大的比表面积(理论值900m2/g)，由于海泡石的簇状纤维中存在大量的纳米级微孔和中孔孔道，因此海泡石具有高效的隔热作用，其次海泡石还具有可塑性强、粘结性能好、不燃、耐久性好、无毒无害等特性。利用海泡石耐高温、隔热、湿时柔软干时坚硬的特点，以磷酸盐型粘结剂为胶结材料，复合其他隔热填充材料，制备出磷酸盐高温粘结型保温涂料，具有优异的保温性能[15]。李美栋等[16]以膨胀珍珠岩、海泡石、纤维、纤维素、丙烯酸等材料，复合制备出多功能外墙保温涂料，具有较好的保温性能及应用强度。东华大学的杜红波[17]以海泡石、丙烯酸、膨胀蛭石等为原料，研制出一种复合型环保隔热涂料，热阻隔性和热反射性都具有一定优势。由此可以看出，海泡石是一种很好的保温基料，与其他辅料合理配合即可得到性能较佳的保温涂料，因此，未来应用前景较为广阔[18]。

3.5 膨胀蛭石

膨胀蛭石是一种层状多孔非金属矿物材料，是由蛭石经过高温焙烧而制成的，具有良好的隔热、耐火、耐冻、吸附等性能。与其他材料混合加工后可以制备出性能更优良的保温隔热材料。膨胀蛭石在建筑业中应用的主要制品有膨胀蛭石保温干粉砂浆、蛭石混凝土、膨胀蛭石灰浆、水玻璃膨胀蛭石制品、蛭石保温隔音板、沥青膨胀蛭石制品等，对建筑物的保温隔热起到显著的作用[18-19]。马玲等[20]以膨胀蛭石为轻质骨料，与玻化微珠复合配制成复合无机保温砂浆，使保温砂浆的抗压强度、导热系数、软化系数等指标得到优化。习永广等[21]采用膨胀蛭石、石膏复合制备得到无机保温板，通过研究指出膨胀蛭石的片径对保温材料的密度、导热系数、强度有着较大影响，同时，不同的膨胀方式，也会影响到膨胀蛭石的应用性能。目前，我国膨胀蛭石的生产工艺还较为落后，为更好的发挥膨胀蛭石的优越性能，还需加强制备工艺的研究和优化。

3.6 硅藻土

硅藻土是一种特殊多孔性构造的非金属矿，具有多孔、质轻、易吸水、渗透性强的特性，用来制备轻质保温建筑材料具有较好的发展前景。梁兴荣等[22]以硅藻土、水泥为原料，流浆成型后经蒸压养护获得了硅酸钙板，结果表明通过改变硅藻土的加入量可以制备出多类别符合标准的硅酸钙板产品，尤其可以用来制备低容重(密度＜0.95g/cm3)、低导热率(导热系数＜0.16W/m/K)的产品。李国昌等[23]通过对硅藻土进行酸溶焙烧扩容处理后，硅藻土比表面积增加，孔体积加大，容重减小，制成保温材料后，材料结构中封闭气孔发育，孔隙率大，热阻效应明显，从而降低了制品导热系数，改善了制品的保温性能。姜霆婧[24]以硅藻土、白云石、粉煤灰等为原料，烧结制备低导热、高强度的硅藻土多孔保温材料。目前，与先进保温材料相比，硅藻土保温材料产品的保温性能还比较低下，未来还需在配方、成型、制备技术方面进一步优化改进。其次，与其他高性能材料复合也是发挥硅藻土特性的有效途径[25]。

3.7 纳米气凝胶

纳米气凝胶是一种具有独特纳米多孔结构的非金属矿物材料，其孔隙率和比表面积极高，热导率和密度极低[26]，同时，具有不燃或阻燃性能。纳米气凝胶在高效保温隔热领域具有极大应用前景，如玻璃表面气凝胶薄膜，纳米气凝胶窗，纳米气凝胶隔热复合材料，太阳能集热器中的透明隔热材料，冰箱等低温系统的隔热材料，航天航空器上的隔热层等[27]。虽然纳米气凝胶具有优异的保温隔热性能，但其制备技术难点及高昂的生产成本，使纳米气凝胶还不能实现商业化应用，因此，要拓展纳米气凝胶的应用，还需进一步解决制备技术，降低生产成本。

4 无机保温材料发展建议

根据我国无机保温材料生产现状及应用要求，结合所采用原材料特性，无机保温材料发展有以下建议。

(1) 提高无机保温材料制备技术及降低生产成本。目前，我国无机保温材料虽有一定的发展和提高，但产品性能还存在不足，如吸水率高、容重大、强度低、导热系数高等，还需要从原材料、配方优化入手，提高生产装备及自动化水平，规范生产过程，从而使产品性能及成本得以优化，增强无机保温材料的市场占有能力[28]。

(2) 实现无机保温材料生产过程绿色节能化。环保问题是国家在生产管理过程中的重中之重，矿山、工业等废弃物已成为困扰企业可持续发展的一个难题，因此如何实现无机保温材料生产、使用过程的废料得到资源化循环利用，也将是无机保温材料行业需要研究解决的问题之一。由此可以看出，绿色环保，能够资源化二次利用的无机保温材料将具有较大的发展优势。