聚丙烯纤维改良多孔保温材料工程性能及微观机理研究

王富奎

（河南六建建筑集团有限公司，河南洛阳 471000）

近年来，由于淡水河砂资源短缺、能源消耗速度过快等问题，我国提出了绿色建筑理念［1-2］。建筑保温技术是实现绿色建筑节能施工的重要手段，因此，研究并开发利用新型高效的建筑保温材料对节约能源、保护环境具有重要意义。

保温材料具有节省资源、提高保温性能的作用，因此在建筑工程墙体保温和水利工程大坝坝面保温中得到广泛应用。早期建筑通过采用有机保温材料制备建筑保温板，取得了良好的保温效果。然而，由于有机保温材料具有易燃性，应用于建筑外墙中会导致火灾事故［3-4］。因此，如何应用无机保温材料并有效改良其保温能力，具有十分重要的研究意义。仝凡等［5］通过采用“低温发泡热处理+高温去羟基化热处理”特殊工艺制备了一种利用玻璃纤维增强的复合保温材料，且指出玻璃纤维能够增强复合材料的保温性能。王琦琦等［6］利用低品位钾长石在高温发泡法下制备了新型多孔保温陶瓷，并指出烧结温度对材料保温性能的影响：当烧结温度为1250℃时，材料的综合保温性能最佳。

综上所述，现有成果主要是关于有机保温材料方面，而对无机保温材料的研究仍较为落后，无机保温材料的综合性能仍具有很大的提升空间。本文利用聚丙烯纤维对较为常见的珍珠岩无机多孔保温材料进行了改良，基于室内单轴压缩、导热性孔隙率等试验深入研究了新型无机多孔保温材料的工程性能，得到了新型无机多孔保温材料的最佳配比，并从宏、微观角度分析了聚丙烯纤维改良珍珠岩无机多孔保温材料的内在机理。

1 材料制备和试验

1.1 新型保温材料制备

本次研究拟通过掺入一定量的聚丙烯纤维改良膨胀珍珠岩多孔保温材料的力学性能和保温性能，制备新型多孔保温材料的原料有聚丙烯纤维（表1）、膨胀珍珠岩（表2）、水玻璃（嘉兴市嘉善博泰耐火保温材料有限公司，氧化钠含量8.54%，二氧化硅含量27.30%，模数3.3）、有机硅憎水剂、十二烷基磺酸钠以及双氧水（30%）。

表1 聚丙烯纤维物理参数Table1 Physical parameters of polypropylene fiber

表2 珍珠岩化学成分(%)Table 2 Mineral composition of perlite

根据现有相关试验成果，原膨胀珍珠岩多孔保温材料的最佳配比为珍珠岩：水玻璃：十二烷基磺酸钠：有机硅憎水剂：双氧水=52.5%：43.5%：0.6%：0.8%：2.6%［7］。考虑到聚丙烯纤维的性质，其在多孔材料中与膨胀珍珠岩共同形成骨料作用，因此在本次试验中保持其他掺料成分含量不变且控制骨料（聚丙烯纤维+膨胀珍珠岩）含量不变，仅改变骨料中聚丙烯纤维和珍珠岩的相对含量，从而制备了掺聚丙烯纤维的新型珍珠岩多孔保温材料，具体配比设计见表3。

表3 新型多孔保温材料配比设计(%)Table 3 Proportioning design of new porous thermal insulation materials

采用常温泡发法制备新型多孔保温材，其具体制备流程包括：（1）研磨粉碎膨胀珍珠岩制备珍珠岩细粉末；（2）按照表3中配比设计，按顺序分别加入珍珠岩粉末、聚丙烯纤维和水玻璃，匀速搅拌3min；(3)按照表3中配比设计，再加入有机硅憎水剂和十二烷基磺酸钠得到浆料；（4）将所得浆料放入搅拌机中以500r/min的转速充分搅拌10min后，加入双氧水作为发泡剂继续搅拌1min；（5）将浆料到入50mm×50mm×50mm的硅胶模具中，室温条件下置放24h成型后，转入烘箱中养护24h，养护温度为60℃。

1.2 试验方案

根据GB/T 1964-1966《多孔陶瓷抗压强度试验方法》等［8-9］相关规范，采用万能试验机浊试材料的抗压强度，加载速率为10mm/min；采用压汞法浊试材料孔隙率；采用导热系数浊定仪对试件的导热系数展开浊试。

2 试验结果分析

2.1 表观特征

图1为制备完成后不同聚丙烯纤维掺量下新型无机多孔保温材料。由图1可知，养护成型后的新型无机多孔保温材料成型整体性较好，样品均呈灰白色。进一步可以观察到，随着聚丙烯纤维掺量的增大，新型无机多孔保温材料的表观孔的直径呈现出先降低后逐渐增大的变化趋势。当聚丙烯纤维掺量为2%时，新型无机多孔保温材料表面孔的孔径最小；聚丙烯纤维掺量为4%时，新型无机多孔保温材料表面孔的孔径明显大于不掺聚丙烯纤维和2%掺量聚丙烯纤维的新型材料。此外，随着聚丙烯纤维掺量的增大，新型多孔保温材料的孔隙分布逐渐变得不均匀。低聚丙烯纤维参量下（0%、2%），样品截面上孔隙分布较均匀且孔径相差较小，而高聚丙烯纤维参量下（4%、6%）材料表面的孔隙呈现出孔径大小不均、空间分布不均的特点。分析认为，在新型无机多孔保温材料中，由于聚丙烯纤维的长度大于珍珠岩粉末的直径，搅拌混合后的浆液均匀性发生变化，因此，掺入的聚丙烯纤维影响了材料的发泡过程。当聚丙烯纤维掺量较小时，纤维、珍珠岩粉和水玻璃混合搅拌后浆液较均匀，因此其气泡尺寸均匀；而当聚丙烯纤维掺量较大时，混合浆液容易包裹纤维形成径向柱状产物，因此形成大直径的气孔。

图1 不同聚丙烯纤维掺量下新型无机多孔保温材料宏观图Fig.1 Macroscopic graph of novel inorganic porous thermal insulation materials with different polypropylene fiber content

2.2 微观特征

利用JSM-IT300型电镜扫描仪对养护成型后的新型无机多孔保温材料进行表征，得到不同聚丙烯纤维掺量下材料的扫描结果如图2所示。由微观图可知，随着聚丙烯纤维掺量的增加，新型保温材料内部孔的大小先降低后增加，且4%聚丙烯纤维掺量下其孔径明显大于低掺量条件下，这也与材料的宏观特征分析结果一致。由低精度（500μm）扫描结果可知，聚丙烯纤维在保温材料骨架中的分布比较均匀，材料内部连接性较好，微观平面图呈现出很好的网状结构。由高精度（50μm）扫描结果可知，浆料对聚丙烯纤维有很好的包裹性，二者之间紧密贴合，能够增强骨架的承载能力。

图2 不同聚丙烯纤维掺量下新型无机多孔保温材料微观图Fig.2 Microscopic graph of novel inorganic porous thermal insulation materials with different polypropylene fiber content

2.3 物理性能

随着聚丙烯纤维掺量的逐渐增加，材料的孔隙率呈先增大后减小的变化趋势，材料的表观密度呈先减小后增大的变化趋势，二者的变化趋势相反（图3）。不掺聚丙烯纤维的珍珠岩多孔保温材料的初始平均孔隙率为84.92%，初始平均表观密度为361.05kg/m3。掺入聚丙烯纤维后的多孔保温材料孔隙度均高于珍珠岩多孔保温材料，表观密度均低于珍珠岩多孔保温材料。当聚丙烯纤维掺量为2%时，新型无机多孔保温材料孔隙率取得最大值、表观密度取得最小值，此时孔隙率和表观密度分别为94.68%和308.38kg/m3，孔隙率相对升高11.49%，表观密度相对降低14.59%。结合材料宏、微观分析结果可知，2%聚丙烯纤维掺量下新型保温材料的孔径更小、分布更均匀，发泡效果最佳，因此新型无机多孔保温材料孔隙率高、密度低，在保温材料应用中具有明显的优势。

图3 材料孔隙率及表观密度随纤维掺量变化关系Fig.3 Relationship between porosity and apparent density of materials and fiber content

材料的单轴抗压强度随着聚丙烯纤维掺量的逐增大而逐渐增大，二者之间成线性正相关（图4）。不掺聚丙烯纤维的珍珠岩多孔保温材料的初始平均抗压强度为1.14MPa，此后抗压强度分别相对提升2.51%、7.57%和11.24%。材料的热导性系数随着聚丙烯纤维掺量增加而逐渐减小，但由无纤维过渡到2%时导热系数降低幅度较大，之后随纤维掺量增加变化幅度较小。珍珠岩多孔保温材料初始平均导热系数为0.162W/(m·K)，掺入2%聚丙烯纤维后的多孔保温材料的导热系数骤降12.75%，材料的保温性能产生了明显的提高；此后材料的热导性趋于稳定，纤维掺量为4%和6%条件下材料的导热系数分别为0.138W/(m·K)和0.132W/(m·K)。分析认为，珍珠岩的主要成分是一种玻璃质酸性喷出岩，其导热系数约为2W/(m·K)，而聚丙烯的导热系数要低于珍珠岩，约为0.55W/(m·K)。因此，在保持骨架材料整体含量不变的条件下，掺入聚丙烯纤维后材料整体的导热系数出现了明显下降。此外，聚丙烯纤维的整体抗拉性能要优于珍珠岩粉末，因此掺入聚丙烯纤维后材料的承载能力增强。由此可见，新型无机多孔保温材料抗压强度高且保温性能更好，是一种工程性能较为优良的保温材料。

图4 材料抗压强度及导热系数随纤维掺量变化关系Fig.4 Relationship between compressive strength and thermal conductivity of materials with fiber content

2.4 吸湿性

保温材料的吸湿性是影响其力学性质和导热能力的重要参数［10-12］，而多孔材料由于干密度较低，因此具有较强的吸湿能力。将制备完成的不同聚丙烯纤维掺量的多孔材料置于特殊仓中，保持仓内温度为35℃、湿度为90%。吸湿性试验持续72h，其中，前24h每4h浊一次质量，后48h每8h浊一次质量，得到不同聚丙烯纤维掺量下新型多孔保温材料的吸湿性随时间变化关系如图5所示。由图5(a)可知，新型多孔保温材料具有非常明显的吸湿性，且随着时间的不断增长，材料的吸湿率逐渐增大，但吸湿率增长速率逐渐变慢。在72h吸湿性试验时间内，材料的最大吸水率随聚丙烯纤维掺量的增大而逐渐增大。普通珍珠岩多孔保温材料的最大吸水率为3.42%，随着聚丙烯纤维掺量的增大，多孔材料的最大吸湿率分别达到3.66%、4.22%及4.87%。当纤维掺量为2%时新型多孔材料的吸湿性增强效应不明显，其最大吸湿率较普通珍珠岩多孔保温材料仅提升6.93%；此后材料吸水率增长明显，较普通保温材料珍珠岩多孔保温材料提升分别达到23.26%和42.35%。新型多孔保温材料吸湿率和纤维掺量之间符合指数函数关系，相关系数R2=0.9909，函数拟合效果良好。

图5 不同聚丙烯纤维掺量下多孔保温材料吸湿性Fig.5 The moisture absorption of porous thermal insulation materials

3 结论

为研究聚丙烯纤维对珍珠岩多孔保温材料工程性能的提升效果，室内制备了四组不同聚丙烯纤维掺量的新型无机多孔保温材料，并基于室内试验深入分析了新型无机多孔保温材料工程性能及内在机理。研究主要结果如下：

（1）随着聚丙烯纤维掺量的增大，成型后的试样气泡孔径呈先减小后逐渐增大的变化趋势，且气孔分布均匀性变差。当聚丙烯纤维掺量为2%时，新型无机多孔保温材料表面孔的孔径最小。

（2）新型无机多孔保温材料的孔隙率随纤维掺量增大呈先增大后减小的变化趋势，材料的表观密度的变化趋势则相反；材料的单轴抗压强度逐渐增大，二者之间呈线性正相关关系。材料的导热系数逐渐减小，但由无纤维过渡到2%时导热系数降低幅度较大，之后随纤维掺量增加变化幅度较小。

（3）微观电镜图结果显示，聚丙烯纤维在保温材料骨架中的分布比较均匀，材料内部连接性较好，微观平面图呈现出很好的网状结构。浆料对聚丙烯纤维有很好的包裹性，能够增强骨架的承载能力。

（4）新型无机多孔保温材料的最佳聚丙烯纤维掺量为2%，此时该材料孔隙率为94.68%，表观密度为308.38kg/m3，单轴抗压强度为1.18MPa，导热系数为0.140 W/(m·K)，均显著优于珍珠岩多孔保温材料。