KJ01菌种增强膨胀珍珠岩保温板制备参数优化实验

2022-10-24任媛杨波

应用化工 2022年9期

任媛，杨波

(1.重庆大学土木工程学院，重庆 400030；2.山西职业技术学院建筑工程系，山西太原 030006)

随着保温技术的发展，一些具备更优保温性能的板材获得了大量开发[1-4]，例如，可以利用微生物KJ01矿化沉积与KJ01发泡处理技术制备微生物保温板，由此实现优异保温效果[5-6]。制备保温板时，可以通过加入适量微生物KJ01与实现矿化沉积的营养组分，加快微生物矿化速率，对膨胀珍珠岩颗粒空隙填充，由此制备更高强度的保温板，并减小吸水率；为保温板加入一定含量有机物，此外为获得更低导热率，在保温板内加工了部分独立孔洞[7-11]。

本文从宏观层面探讨了保温板强度、热导率、吸水率与KJ01掺入量的关系，从微观结构层面分析了对微生物增强膨胀珍珠岩性能造成影响的作用机制。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

膨胀珍珠岩，取自重庆市綦江区，各项参数见表1；微生物KJ01(编号CGMCCNo.15516)；苯丙乳液(固含量48%)，工业级；尿素、硝酸钙均为分析纯；葡萄糖，食用级；9 mm直径的玻璃纤维；自来水。

表1 膨胀珍珠岩主参数Table 1 Main parameters of expanded perlite

SW-CJ-1G型超净工作台；BKQP-50L型蒸汽灭菌器；FE28型pH计；DW-86W100型低温冰箱；JY3003型电子天平；DQHZ-2001型振荡培养箱；721型分光光度计；TD5Z型离心机。

1.2 膨胀珍珠岩保温板的制备

1.2.1 实验原理葡萄糖被KJ01菌群快速分解，并生成CO2[12-14]。

微生物KJ01+葡萄糖→CO2↑

(1)

CO2分子在材料成型阶段进入材料组织中，生成大量细小独立气泡，使保温板内产生微洞结构，由此获得更低的热导率参数，实现保温性能的显著提升。具体工作原理见图1。

图1 保温板发泡原理示意图Fig.1 Schematic diagram of foaming principle of insulation board

1.2.2 膨胀珍珠岩保温板的制备实验以尿素、硝酸钙、葡萄糖共同组成营养成分，采用苯丙乳液作为憎水剂。

对各成分搅拌混合后，再把营养成分添加到菌液内，控制各成分加入含量如下：硝酸钙0.7 mol/L，尿素1.0 mol/L，持续搅拌10 min。混合料利用模具并控制压缩比为1.6完成压制过程，经过5 min保压之后，再对保温板实施养护，确保微生物可以完成矿化沉积过程，制得隔热效果更优的保温板。再利用干燥箱把保温板升温到110 ℃充分烘干，制得膨胀珍珠岩保温板(以下简称保温板)，见图2。图3为压缩后的保温板试件及内部。

图2 保温板制备流程图Fig.2 Preparation flow chart of insulation board

图3 保温板表面和内部照片Fig.3 Photos of the surface and interior of insulation board

2 结果与讨论

2.1 菌液浓度对保温板性能的影响

将菌液OD600依次设定在0，0.6，1.0，1.5，150 mL，经过12 h养护处理，结果见表2。

表2 保温板性能随菌液浓度变化Table 2 Performance of insulation board changes with the concentration of bacteria

由表2可知，当菌液达到较高的OD600值时，可以显著促进碳酸钙晶体方式矿化沉积的过程，随着OD600值的提高，试样获得了更大容重与抗压能力，并引起吸水率的减小，试样保持稳定导热系数。当在保温板内加入OD600值较高的菌液后，发现保温板中形成了在各区域均匀分布的微生物群，在基体内形成了碳酸钙晶体以及大量胶结剂产物，此时保温板容重发生了显著提高，抗压强度也获得明显提升。有部分产物扩展到珍珠岩颗粒间隙孔洞内，可以起到一定的改性效果，获得更小的吸水率。本实验进行微生物培养时，可以控制菌液OD600介于0～1.5之间，考虑到培养OD600为1.5的菌液需要投入很高的成本，因此结合本实验测试结果，将菌液OD600设定在1.0为最佳值。

2.2 菌液掺入量对保温板性能的影响

控制菌液OD600为1.5，经过12 h养护处理，测定结果见表3。

表3 保温板性能随KJ01掺量变化Table 3 Thermal insulation board performanc changes with the dosage of KJ01

由表3可知，逐渐提高KJ01掺入量后，试样获得了更大的容重与抗压强度。改变微生物加入量后，试样依然保持稳定的导热系数，都在0.039 5附近，同时试样吸水率也发生了缓慢减小的变化规律，由最初7.15%减小为6.17%，变化幅度超过10%。

制备保温板期间，当加入微生物菌液后，可以显著提高保温板容重与抗压强度，使保温板获得更小的吸水率，由此形成生物胶结剂-碳酸钙晶体，确保膨胀珍珠岩颗粒形成紧密黏结的效果，显著提升保温板结构强度。

2.3 养护温度的影响

控制菌液OD600为1.0，每次使用150 mL菌液，利用标准养护箱持续养护24 h，结果见表4。

表4 保温板性能随养护温度变化Table 4 Thermal insulation board performance changes with the curing temperature

由表4可知，以不同温度对KJ01菌种增强保温板进行养护后，容重、抗压强度与吸水率都发生了下降，导热系数则保持基本稳定。逐渐提高养护温度时，发生了容重与抗压强度的先提高后下降趋势，其中，在30 ℃养护温度下，试样获得了164 kg/m3与 0.65 MPa 的最高容重与抗压强度。

2.4 养护时间的影响

表5给出了不同养护时间的测试结果，都在标准养护箱中进行测试，菌液OD600为1.0，配制体积为150 mL的菌液。

由表5可知，延长养护时间后，保温板容重与抗压强度发生了先提高再进入一个稳定状态的变化趋势，同时吸水率发生了减小，导热系数保持基本稳定。对保温板进行24 h养护后，微生物在保温板内发生矿化沉积形成了大量晶体产物。经过36 h矿化沉积之后，达到了一个基本稳定的晶体质量，因此微生物可以持续对尿素发挥分解作用，经过矿化沉积后形成晶体。由于微生物在珍珠岩保温板内难以与尿素和钙离子发生接触，从而缩短了矿化沉积稳定时间。

表5 保温板性能随养护时间变化Table 5 Performance of insulation board changes with maintenance time

2.5 KJ01发泡剂的影响

在膨胀珍珠岩搅拌阶段加入发泡剂，碳酸氢钠、葡萄糖、碳酸氢氨掺入量都为膨胀珍珠岩质量1%，制备试件时，以相同容重经过24 h养护处理，结果见表6。

表6 保温板性能随发泡变化Table 6 Thermal insulation board performance changes with foaming

由表6可知，发泡处理后，保温板达到了更低导热系数，其中，采用KJ01发泡处理方式获得的导热系数为0.031 9，与发泡处理前的导热系数0.039 6相比，发生了小幅下降，加入碳酸氢钠与碳酸氢氨两种成分进行发泡后，导热系数同样发生了减小，但变化幅度低于KJ01发泡处理方式。由此可知，为获得更小导热系数，并提升保温材料保温效果，采用KJ01发泡方法可以达到更理想的状态；加入发泡剂的条件下，试件达到了更小的抗压强度变化幅度，只引起抗压强度的小幅变化，同时吸水率也保持相对稳定。