SiO2气凝胶复合保温材料的制备工艺及性能研究

2022-10-29张宁

新型建筑材料 2022年10期

张宁

[迪亚爱柯节能科技（上海）有限公司，上海200949]

0 引言

SiO2气凝胶是一种具有独特纳米多孔三维网络状结构的多孔材料，其孔隙率高达99%，是目前最轻的固体材料[1]，由于气凝胶空隙尺寸多集中在10～50 nm，在常压下孔隙内的空气基本无法进行热传导，使其具有较好的保温隔热性能。另外，SiO2气凝胶经表面疏水改性后，具有较好的疏水性能[2]。SiO2气凝胶的低密度和高疏水特性使其在复合保温材料中的应用较为困难，较低的密度使其无法与其它粉体材料在干混状态下均匀分布，较高的疏水性又使其无法与浆料在湿混状态下均匀相容，经SiO2气凝胶复合后的保温材料虽然保温隔热性能得到很大提升，但力学性能出现了大幅度降低。为了解决以上问题，本文对SiO2气凝胶复合保温材料的制备工艺及性能进行研究。

1 试验

1.1 原材料

硅灰：SiO2≥94%，贵州海天铁合金磨料有限公司；HPMC：黏度200 Pa·s，赫克力士天普化工有限公司；丁苯乳液：BSF7623，巴斯夫中国有限公司；SEPS颗粒：堆积密度12 g/L，贝安居建筑节能材料科技有限公司；SiO2气凝胶：粒径≤15μm，深圳中凝科技有限公司；水泥：P·Ⅱ52.5，宁波海螺水泥有限公司；粉煤灰：Ⅰ级，上海华能粉煤灰工业有限公司；灰钙：500目，豫北钙业集团；三聚氰胺减水剂：F10，巴斯夫中国有限公司；木质纤维：长度1000μm，上海能高实业有限公司；PP纤维：长度6 mm，上海博宁工程纤维有限公司。

1.2 试验配合比（见表1）

表1 SiO2气凝胶复合保温材料的配合比

1.3 SiO2气凝胶复合保温材料的制备工艺

SiO2气凝胶复合保温材料由A组分和B组分组成，首先将A组分按以下工艺制成膏料，然后将B组分按配比加入A组分中搅拌均匀即可，搅拌过程无需加水，其制备工艺如下：

（1）一次包裹增强制备工艺：将BSF7623丁苯乳液和水加入立式砂浆搅拌机，开机搅拌均匀，搅拌状态下把硅灰和HPMC的预混料缓慢加入，搅拌均匀成浆料，然后将气凝胶加入浆料中，盖上搅拌机盖子，封闭搅拌直至气凝胶全部被浆料包裹无结块，制成气凝胶膏料。

（2）二次包裹增强制备工艺：将SEPS颗粒加入制成的气凝胶膏料中，盖上搅拌机盖子，封闭搅拌直至SEPS颗粒被气凝胶膏料包裹形成SEPS颗粒膏料，制成SiO2气凝胶复合保温材料A组分。

（3）三次包裹粘结制备工艺：在SiO2气凝胶复合保温材料使用前，将B组分按配比加入A组分，无需加水，用强制式搅拌机搅拌均匀即可，利用B组分中胶凝材料水化产生的机械锚固力和A组分中丁苯乳液成膜产生的分子键力使复合材料满足力学性能要求。

2 试验结果

2.1 不同制备工艺SiO2气凝胶复合保温材料的SEM微观形貌分析

按表1的配比和传统制备工艺，将水泥、粉煤灰、灰钙、硅灰等干混形成干粉料B组分，将乳液和水混合均匀形成A组分，将SEPS颗粒和SiO2气凝胶为C组分，A、B组分搅拌成浆料后，将C组分加入，搅拌均匀，制作SiO2气凝胶复合保温材料；按表1配比和1.3新制备工艺制作SiO2气凝胶复合保温材料。对传统工艺制备的SiO2气凝胶复合保温材料试样1和新制备工艺制备的试样1、试样2、试样3进行SEM微观形貌分析，见图1～图4。

由图1～图4可见：传统制备工艺的试样1中，SiO2气凝胶清晰可见，表面没有任何包裹，水化产物分布严重不均匀，胶凝材料水化不充分，聚合物无法连续成膜。新制备工艺的试样1中，SiO2气凝胶几乎被完全包裹，水化产物分布均匀，胶凝材料水化充分，聚合物成膜连续，孔隙率较低。新制备工艺的试样2中，较少部分小面积SiO2气凝胶裸露，大部分SiO2气凝胶被包裹，水化产物分布均匀，胶凝材料水化充分，聚合物成膜连续，局部有空隙被少量钙矾石填充。新制备工艺的试样3中，少部分小面积SiO2气凝胶裸露，大部分SiO2气凝胶被包裹，胶凝材料水化充分，聚合物成膜连续。孔隙率较高，空隙中生成大量钙矾石。

因此，从不同制备工艺的SiO2气凝胶复合保温材料的SEM微观形貌分析可知，新制备工艺中一次包裹增强制备工艺、二次包裹增强制备工艺和三次包裹粘结制备工艺与传统工艺相比具有先进性。

2.2 不同制备工艺对SiO2气凝胶复合保温材料导热系数和力学性能的影响（见表2）

表2 不同制备工艺对试样1导热系数和力学性能的影响

由表2可知，对于试样1，采用传统制备工艺SiO2气凝胶复合保温材料的力学性能明显低于采用新制备工艺的，压缩强度能符合GB/T 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》要求，但拉伸粘结强度不能满足标准要求；传统工艺SiO2气凝胶复合保温材料导热系数为0.042 W/（m·K），采用新工艺时为0.044 W/（m·K），差别不大。

因此，从2种制备工艺对SiO2气凝胶复合保温材料的导热系数和力学性能的影响可知，一次包裹增强制备工艺和二次包裹增强制备工艺包裹增强作用明显，三次包裹粘结工艺大大提高了SiO2气凝胶复合保温材料的内聚力，同时对气凝胶的保温隔热性能影响不明显。

2.3 SiO2气凝胶体积比对复合保温材料导热系数和力学性能的影响

由表1配合比可知，试样1、试样2、试样3中SiO2气凝胶的体积掺量分别为23%、31%、38%，对新制备工艺的SiO2气凝胶复合保温材料的导热系数和力学性能进行研究，结果见图5。

由图5可知，SiO2气凝胶复合保温材料拉伸粘结强度和压缩强度随SiO2气凝胶体积掺量的增加而降低，试样3中SiO2气凝胶体积掺量为38%，复合保温材料的拉伸粘结强度为0.09 MPa，不符合GB/T 29906—2013要求；SiO2气凝胶复合保温材料的导热系数随SiO2气凝胶体积掺量的增加而降低，试样2中SiO2气凝胶体积掺量为31%，复合保温材料的导热系数为0.036 W/（m·K），试样3中SiO2气凝胶体积掺量为38%，复合保温材料的导热系数降至0.032 W/（m·K）。

3 结果分析

研究的SiO2气凝胶粒径为15μm以下，孔隙率99%，空隙被空气填充，质量仅比空气略重。较轻的质量使其无法和其它粉料采用干混方式均匀混合，这在传统制备工艺试样1的SEM（见图1）已经证明。SiO2气凝胶高孔隙率导致其吸水率较高，需要在SiO2水凝胶阶段进行疏水处理，得到的SiO2气凝胶疏水性较好[3]，因此，只能提高包裹用浆料的表面张力，这也是采用丁苯乳液和高黏度纤维素醚等改性活性外掺料硅灰来包裹增强SiO2气凝胶的原因。新制备工艺的试样1、试样2、试样3的SEM照片（见图2、图3、图4）证明其包裹性较好。表2、图5力学性能分析表明其增强性较好。SiO2气凝胶孔隙空腔尺寸集中在10～60 nm，而空气分子平均自由程为69 nm，SiO2气凝胶孔隙空腔尺寸小于空气分子平均自由程，限制了气体的运动，孔隙内空气不易被其它介质置换，空气在小于分子自由程的SiO2气凝胶孔隙内存在克努森效应，孔隙内空气热传导会大大降低[4-5]。表2中传统制备工艺和新制备工艺的试样1导热系数分析表明，SiO2气凝胶复合保温材料导热系数相差不大。图5中不同体积掺量的SiO2气凝胶复合保温材料试样1、试样2、试样3力学性能分析也表明了一次包裹增强、二次包裹增强和三次包裹粘结制备工艺的先进性。但SiO2气凝胶体积掺量为38%的试样3拉伸粘结强度不符合GB/T 29906—2013要求，是因为SiO2气凝胶掺量太高，比表面积过大，导致无法完全包裹增强，同时出现了图4中孔隙率变大问题，虽然空隙中有大量的钙矾石生成，胶凝材料也进行了充分的水化[6]，但拉伸粘结强度仍不符合GB/T 29906—2013要求。