气凝胶掺杂玻化微珠砂浆性能的研究

李安宁 ，沈志明 ，张新生 ，曹 静 ，李 娟 ，李 伟 ，朱灿银

（1.江苏丰彩新型建材有限公司，江苏南京211100；2.江苏省既有建筑绿色化改造工程技术研究中心，江苏南京211100）

随着社会经济的飞速发展和工业的不断进步，人类对能源的需要越来越大，能源与需求的矛盾越来越突出，制约着社会经济的发展[1-2]。除了能源的高效转化及可再生能源的合理开发外，充分提高能源的利用效率，减少能源的浪费也是实现节能减排的重要途径。SiO2气凝胶因其多孔、高比表面积等特性，具有比活性炭更强的吸附能力、对大气污染物和水体污染物超强的吸附性能[3-5]。SiO2气凝胶在建筑隔热、家电隔热材料、工业管道保温隔热材料、大气污染物和水体污染物的治理工作中将发挥重要的作用[6]。但气凝胶颗粒在应用过程中与砂浆体系的相容性一直是业内的难点，尤其气凝胶颗粒在砂浆中的分散直接影响气凝胶的隔热性能。因而如何在砂浆中更好地发挥气凝胶隔热的优越性，成为当前应用过程中迫切需要解决的问题。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

主要实验试剂与仪器如表1和表2。

表1 主要实验试剂

表2 主要实验仪器

1.2 气凝胶掺杂玻化微珠砂浆的制备

气凝胶掺杂玻化微珠砂浆的制备主要解决两方面问题：①玻化微珠砂浆空隙率的计算；②气凝胶颗粒在混合搅拌过程中易挥飞，入模后易上浮。

（1）先对SiO2气凝胶颗粒预处理，对其颗粒进行表面改性，增强SiO2气凝胶颗粒与无机胶凝材料之间的粘结性能。

（2）先从为设计配比的总用水量中取出一部分水来配制质量分数为5%的KH-550硅烷偶联剂溶液，对SiO2气凝胶颗粒进行改性。为防止偶联剂水解产生沉淀，影响改性效果，实验采取边分散改性。

（3）将配好的偶联剂溶液超声分散，然后立即对SiO2气凝胶颗粒进行改性。

（4）按照配比将玻化微珠砂浆加入到搅拌机中进行干拌，然后将余下的水缓慢加入搅拌。

（5）将预处理过的SiO2气凝胶颗粒加入其中，搅拌均匀后装入试模。

（6）放入标准养护箱，分别测试养护7天与28天的抗压、抗折强度以及导热系数的变化。

2 结果与讨论

2.1 气凝胶掺杂玻化微珠保温砂浆的抗压、抗折性能测试

通过计算，我们得到气凝胶掺杂玻化微珠砂浆的最优比例，具体配方如表3。通过多次试验，逐渐增加气凝胶的含量，达到降低水泥砂浆的导热系数，研究其替换比例对密度、力学性能、吸水率以及导热系数等性能的影响，进一步拓展其在建筑保温材料中的应用领域。

（1）气凝胶掺杂玻化微珠保温砂浆密度以及空隙率的变化

表3 气凝胶掺杂玻化微珠砂浆复配试验配方

图1表示不同比例气凝胶掺杂量条件下，对水泥砂浆密度的影响。随着SiO2气凝胶颗粒掺杂比例的增加，玻化微珠砂浆的表观密度和堆积密度整体呈线性上升趋势。改性/未改性气凝胶颗粒的掺杂对玻化微珠砂浆密度基本无影响。

图1 不同气凝胶掺杂量对砂浆密度的影响

从图2可以看出，随着气凝胶添加量的增加，细小的气凝胶颗粒会填充到玻化微珠砂浆颗粒的空隙中，空隙率逐渐降低，达到一定程度之后，玻化微珠砂浆的空隙被气凝胶颗粒填满，继续增加气凝胶颗粒的量，复合砂浆的空隙率反而会增加，这是因为玻化微珠砂浆中已没有足够的空隙供气凝胶填充，气凝胶颗粒会使得玻化微珠砂浆颗粒之间的距离变大。

图2 不同气凝胶掺杂量对砂浆空隙率的影响

（2）气凝胶保温砂浆抗压性能测试

从图3可以看出，通过掺杂不同体积比例的改性或未改性气凝胶颗粒，测试其养护7天和28天的抗压强度数据发现，随着气凝胶掺杂比例的增加，7天或者28天养护之后的抗压强度逐渐降低，从未掺杂的0.81 MPa和1.01 MPa逐渐降低至掺杂8%的0.40 MPa和0.56 MPa。由于SiO2气凝胶颗粒本身强度低，随着SiO2气凝胶颗粒体积替换比例的增加，填充至玻化微珠保温砂浆空隙中，气凝胶颗粒与无机材料颗粒逐渐粘结，导致复合保温砂浆的抗压强度逐渐降低。

从表4对比实验可以得出，改性与未改性气凝胶制备的保温砂浆的抗压性能有明显差别。由于SiO2气凝胶颗粒自身的结构以及物理性质，SiO2具有亲水的极性表面，因表面作用能强，彼此团聚，在高粘度聚合物基体中难以均匀分散而无法获得理想性能与无机胶凝材料的粘结。用少量硅烷偶联剂对其进行预处理，与无机物表面的-OH进行反应，水解生成-Si-O-Si-共价键，从而键合到无机物表面生成亲油性的非极性表面，使材料的性能大大提高。实验证明，通过对其表面进行有机改性，使纳米SiO2的亲水表面改性成亲油性的非极性表面，从而改善或改变纳米粒子的分散性，提高纳米粒子表面活性，改善纳米粒子与聚合物材料之间的相互作用。

表4 改性/未改性气凝胶颗粒的抗压测试

图3 不同掺杂比例对玻化微珠砂浆抗压强度的影响

（3）气凝胶保温砂浆抗折性能测试

从图4可以看出，通过掺杂不同体积比例的改性或未改性气凝胶颗粒，测试其养护7天和28天的抗折强度数据发现，随着气凝胶掺杂比例的增加，7天或者28天养护之后的抗折强度逐渐降低，从未掺杂的0.429 MPa和0.685 MPa逐渐降低至掺杂比例8%的0.142 MPa和0.305 MPa。由于SiO2气凝胶颗粒本身强度低，随着SiO2气凝胶颗粒体积替换比例的增加，气凝胶颗粒逐渐充当起骨架作用，气凝胶颗粒与无机材料表面键合力小，必然导致砂浆抗折强度降低。

图4 不同替换比例对抗折强度的影响

表5 改性/未改性气凝胶颗粒抗折测试

从表5对比实验中可以得出，改性与未改性气凝胶制备的保温砂浆的抗折性能有明显差别。由于SiO2气凝胶颗粒自身的结构以及物理性质，SiO2具有亲水的极性表面，因表面作用能强，彼此团聚，在高粘度聚合物基体中难以均匀分散而无法获得理想性能与无机胶凝材料的粘结。气凝胶颗粒与无机材料不能粘结在一起形成团聚存在，导致其抗压、抗折强度降低。实验中用少量硅烷偶联剂对其进行预处理，与无机物表面的-OH进行反应，水解生成-Si-O-Si-共价键，从而键合到无机物表面生成亲油性的非极性表面，使材料的性能大大提高。实验证明，通过对其表面进行有机改性，使纳米SiO2的亲水表面改性成亲油性的非极性表面，从而改善或改变纳米粒子的分散性，提高纳米粒子表面活性，改善纳米粒子与聚合物材料之间的相互作用。

2.2 气凝胶掺杂玻化微珠保温砂浆的导热系数试验

图5表示掺杂SiO2气凝胶颗粒比例的玻化微珠保温砂浆的导热系数的关系。从图5可以看出，随着气凝胶颗粒掺杂量的增加，砂浆的导热系数呈线性下降趋势，当掺量达到6%时，导热系数值从0.083 8 W/（m·K）降至0.065 8 W/（m·K）；继续掺杂气凝胶，发现导热系数逐渐增加，说明掺杂气凝胶颗粒有一定降低导热系数的作用；当气凝胶掺杂量超过6%时，气凝胶颗粒使得玻化微珠颗粒距离变大，导致热量直接从水泥颗粒辐射出去。

图5 不同掺杂比例对导热系数的影响

图6 不同温度下改性/未改性保温砂浆的导热系数

从图6对比实验中可以得出，掺杂6%的改性或未改性气凝胶制备的保温砂浆的导热系数差别不是很大。细小的气凝胶颗粒填充进玻化微珠砂浆的空隙中，起到有效阻止空气传达的作用，同一掺杂量的气凝胶玻化微珠砂浆的导热系数变化不大，但对玻化微珠砂浆的抗折、抗压强度有一定的影响。

3 结论

（1）随着SiO2气凝胶颗粒掺杂比例的增加，玻化微珠砂浆的表观密度和堆积密度整体呈线性上升趋势，改性/未改性气凝胶颗粒的掺杂对玻化微珠砂浆密度基本无影响

（2）通过掺杂不同体积比例的改性或未改性气凝胶颗粒，测试其养护7天和28天的抗压强度数据发现，随着气凝胶掺杂比例的增加，7天或者28天养护之后的抗压强度逐渐降低，从未掺杂的0.81 MPa和1.01 MPa逐渐降低至掺杂8%的0.40 MPa和0.56 MPa。测试其养护7天和28天的抗折强度数据发现，随着气凝胶掺杂比例的增加，7天或者28天养护之后的抗折强度逐渐降低，从未掺杂的0.429 MPa和0.685 MPa逐渐降低至掺杂比例8%的0.142 MPa和0.305 MPa。

（3）随着气凝胶颗粒掺杂量的增加，砂浆的导热系数呈线性下降趋势，当掺量达到6%时，导热系数值从0.083 8 W/（m·K）降至0.065 8 W/（m·K），掺杂6%的改性或未改性气凝胶制备的保温砂浆的导热系数差别不是很大。