纳米SiO2气凝胶/水泥复合隔热板的制备与性能研究

2022-03-10丰桢敏黄冬梅李德李瑞孙宇鹏

新型建筑材料 2022年2期

丰桢敏，黄冬梅，李德，李瑞，孙宇鹏

（中国计量大学质量与安全工程学院，浙江杭州 310018）

0 引言

在我国，建筑能耗约占社会总能耗的1/3，其中建筑围护结构引起的能耗约占建筑能耗总量的2/3，而大众对住宅的舒适度要求却日益攀升，这导致能源供需矛盾不断加重[1-3]。绝热材料的应用能有效降低建筑能耗。目前，市场上常用的有机绝热材料如膨胀聚苯乙烯泡沫（EPS）、挤塑聚苯乙烯泡沫（XPS）和硬质聚氨酯泡沫等一般存在易燃、力学性能较差、制备工艺复杂的问题[4]。常用无机绝热材料如岩棉、玻璃棉、发泡水泥、膨胀珍珠岩等吸湿率高，容易因受潮而导致材料脱落或产生霉菌，限制其产品的应用[5-6]。因此急需研究一种兼具高阻燃、高隔热、低吸湿且绿色节能等性能新型隔热保温材料，以提高建筑物的能源效率，实现国家建筑节能、“碳中和”发展目标[7]。

近年来，拥有优异热性能的纳米SiO2气凝胶在建筑节能领域受到广泛关注，但是由于其高昂的制备成本以及本身的力学性能差的特点无法大规模应用于建筑制造业[8-10]。针对该问题，大量研究学者开始将SiO2气凝胶广泛应用于诸如石膏和混凝土等成本较低的水泥基材料。Stahl等[11]于2012年首次在砂浆中加入气凝胶，显著降低了砂浆的导热系数，证明了气凝胶作为轻骨料在水泥基产品中应用的可行性。Ratke[12]在使用70%体积含量的气凝胶时，可获得导热系数为0.1W/（m·K）的材料。Júlio等[13]用块状气凝胶代替硅砂，从而成功生产了密度为410 kg/m3，导热系数为0.085 W/（m·K）的气凝胶基混凝土。Gao等[14]将60%体积含量的气凝胶引入混凝土中制备了密度为1000kg/m3和导热系数为0.26W/（m·K）的气凝胶混凝土。Ng等[15]制备了导热系数为0.55 W/（m·K）的气凝胶混凝土，其中气凝胶体积含量为50%，添加气凝胶有利于降低混凝土的密度和导热系数。

本文采用注浆成型-常温常压干燥工艺制备了SiO2气凝胶/水泥复合隔热板（ACP），研究气凝胶掺量对ACP性能的影响机理，并表征了其化学及物理性能。该研究结果有助于提高ACP的热性能，并为高性能建筑保温材料的制备提供新的研究思路，以提高建筑物的能源效率和室内舒适度。

1 实验

1.1 实验材料及仪器设备

白色硅酸盐水泥：P·W42.5级，江西上高县中林白水泥有限公司；高稳定性硅溶胶溶液：密度1.2 g/cm3，固含量30%，粒径10~20μm，山东某公司；SiO2气凝胶粉末：广东埃力生高新技术有限公司；空心玻璃微珠：主要成分为氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化镁、硅酸钠，河南恒源新材料有限公司。

顶置式数显定时搅拌器：OA2000plus，上海欧河机械设备有限公司；电子分析天平：JE204，天津德安特传感器技术有限公司；热线法导热系数仪：TC3000E，西安夏溪电子科技有限公司。

1.2 试样制备

表1为不同SiO2气凝胶掺量（按占粉体材料总质量计）的ACP的配合比。具体制备过程如图1所示。根据配合比称量所需材料，将水、水泥、玻璃微珠、硅溶胶、气凝胶依次加入500 ml大烧杯内并使用电动搅拌器搅拌，搅拌速度为600r/min；然后将所制浆体装入100 mm×50 mm×25 mm的模具中成型，模具内部覆保鲜膜以方便整体脱模；由于硅溶胶的存在，水泥浆体凝固迅速，试件成型快，室内保存24 h后即可脱模；脱模后放入干燥箱中干燥，3h后得到实验样品。

表1 SiO2气凝胶/水泥复合隔热板的配合比

1.3 分析表征

（1）干密度测试：根据GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》进行。

（2）导热系数测试：采用TC3000E导热系数测试仪对固化后的样品进行测试，每隔1 min获取5个读数，以平均读数作为最终结果。

（3）FT-IR分析：采用Nicolet6700型傅立叶变换红外光谱仪，光谱范围为400~4000cm-1，分辨率4 cm-1，信噪比≥0∶1。

（4）孔结构分析：采用BET氮吸附法研究气凝胶掺量对ACP孔隙结构的影响，仪器型号：麦克2460/康塔IQ3，测试试样的比表面积、平均孔径及孔径分布。

2 实验结果与分析

2.1 ACP的FT-IR分析（见图2）

由图2可知，5组试样在几个特定的波数处有共同的峰，表明样品中都含有相同的物质。主要红外特征吸收峰分别为3442、1642、1430、1100、967、874、453cm-1。在1000~1200 cm-1波段范围内出现了强烈的硅氧共价键振动，在1100 cm-1达到峰值，这揭示了致密二氧化硅网络的存在，氧原子在每个硅位点间起桥接作用[16]。在1095~1089cm-1和1200cm-1处肩部出现的非常强烈和宽频带分别属于Si—O—Si非对称拉伸振动的横向光学（TO）和纵向光学（LO）模式。另一方面，Si—O—Si的对称拉伸振动出现在800 cm-1处，弯曲模式出现在453 cm-1附近。1430、874 cm-1附近的吸收峰为—CH3基团的特征峰，这是疏水改性剂对气凝胶表面羟基修饰的结果。3442、1642、967 cm-1附近出现的峰是Si—OH键和O—H的拉伸振动峰。与对照组Q1相比，其它4条曲线并无显著变化，表明气凝胶在制备、干燥过程中不受水泥及其它无机材料的影响。

2.2 ACP的孔结构分析

多孔水泥基复合材料中孔的大小、形状、数量和连通性可以被认为是控制导热系数、密度和机械性能的最重要因素。

2.2.1 ACP的氮气吸附/脱附等温曲线

不同SiO2气凝胶掺量（0、5%、10%、12%、15%）的ACP在标准条件下养护28 d后进行N2吸附/脱附等温线测试，结果如图3所示。

由图3可以看出：ACP在低压区吸附量低，中高压区吸附量高，并在中高压区（0.51~0.99 p/p°）时出现滞后环，其迟滞回线属于H3型，一般认为材料内部存在片状粒子堆积形成的狭缝孔，导致吸附/脱附时出现滞后现象[17]。

2.2.2 ACP的比表面积与平均孔径（见表2）

表2 ACP的比表面积与平均孔径

由表2可见，随着SiO2气凝胶掺量的增加，ACP的比表面积从23.555 m2/g增大到79.332 m2/g，平均孔径总体也增大了76.6%。这是由于气凝胶表面大量的疏水基团导致其与水泥基体的相容性变弱，两者界面增大，从而产生裂纹和较大的孔隙。

2.2.3 ACP的孔径分布

在水泥基材料中，不同学者对其孔尺寸分布的界定范围略有差异，但总体可分为凝胶孔和毛细孔。本文基于现有文献及多孔材料孔分类，结合气凝胶复合材料的特性将孔隙分为凝胶孔（孔径<10 nm）、小毛细孔（孔径为10～50 nm）和大毛细孔（孔径>50 nm）[18]。不同SiO2气凝胶掺量的ACP孔径分布曲线如图4所示。

由图4可见，第Ⅰ部分（凝胶孔范围）存在密集的锯齿类小峰，5种不同气凝胶掺量的样品之间不存在显著差异，证明气凝胶掺量对凝胶孔无明显作用。在第Ⅱ部分（小毛细孔范围）中，与对照组Q1相比，掺入气凝胶后各样品的波峰较为突出，主要分布在20~50 nm。在第Ⅲ部分（大毛细孔范围）中，随着气凝胶掺量的增加，各样品孔径所对应的波峰也越大，但总体呈现下降趋势。这表明气凝胶掺量变化对大毛细孔有显著影响。主要原因是水泥的水化反应无法消耗掉气凝胶浆料自带的大量水分，复合隔热板干燥后会形成较大的孔隙。因此，水泥基多孔材料中引入气凝胶会产生大量尺寸较大的毛细孔[19]。

2.2.4 密度分析

不同SiO2气凝胶掺量ACP的密度如图5所示。

由图5可见，由于纯SiO2气凝胶的密度极低，故随着SiO2气凝胶掺量从0逐渐增加到15%，ACP的密度从0.67956g/cm3逐渐减小至0.42144 g/cm3，减小了32.2%。这主要是由于气凝胶的密度低于未加气凝胶的水泥复合材料[20]。当SiO2气凝胶掺量为0~15%时，ACP的密度随SiO2气凝胶掺量的增加呈线性下降，其回归方程为：y=-0.1742x+0.6704，R2=09892，拟合程度较好，预测结果较为可信。

2.2.5 导热系数分析

不同SiO2气凝胶掺量ACP在25℃条件下固化10 d时的导热系数如图6所示。

由图6可见，随着SiO2气凝胶掺量从0逐渐增加到15%，ACP的导热系数呈线性下降趋势，由0.15456W/（m·K）降低至0.08154W/（m·K），降低了47.2%。其回归方程为：y=-0.00504x+0.15252，R2=0.98453，预测结果较为可信。该结果与文献[21]关于气凝胶合成隔热水泥基复合材料的研究变化趋势基本一致。这主要是因为空气的分子热运动平均自由程一般为>70 mm，而气凝胶的孔径一般在2~50 nm，水泥孔洞内部的空间被气凝胶纳米级别的孔结构隔断，因此气凝胶大大减弱了气体热运动引起的热传递，从而降低了ACP的导热系数，具有较好的保温隔热性能，可以通过调节室内外温差，降低采暖制冷系统的使用频率，从而提升室内舒适度，达到建筑节能的功效。