粉煤灰鳞片的隔热性能研究

王凯，魏莉

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

鳞片材料最早以玻璃鳞片的形式问世，由美国玻璃纤维公司开发，由于鳞片材料在耐蚀性能与施工工艺上的优越表现，其被广泛应用在防腐领域。在20世纪70年代初期，鳞片材料的技术发展迅速，衍生出玄武岩鳞片涂料、云母鳞片涂料、合金鳞片涂料等，广泛应用在化工、石油、建筑等领域[1]。

鳞片材料之所以防腐性能优异，一方面是因为鳞片材料本身的耐腐蚀性能好，另一方面鳞片材料在涂层中层叠排列形成的层状结构，这种层状结构产生的“迷宫效应”使腐蚀介质的扩散路径延长，延缓腐蚀介质的扩散速度，从而达到防腐蚀的目的[2-5]。

本文旨在以粉煤灰鳞片作为填充料，与高温炉料充分混合，利用鳞片材料在涂层中形成的层状结构，通过对粉煤灰鳞片的微观结构观察、高温导热测试、涂层隔热测试，研究粉煤灰鳞片对隔热性能的影响，借此分析鳞片材料在涂层中产生的“迷宫效应”是否适用于延缓热的传导，探寻鳞片材料在防腐领域之外应用的可能性，为鳞片材料在其他领域的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验采用的鳞片材料是粉煤灰鳞片，粉煤灰鳞片是火电厂经过多重燃烧产生的粉煤灰，经过高温加工制备而成。表1为粉煤灰鳞片各元素的组成与含量。由表1可知，粉煤灰鳞片中氧的含量极高，几乎不存在其他阴离子，因此，粉煤灰鳞片中金属元素多以氧化物形式存在。表2为各元素换算成氧化物后的组成及含量[6-7]。

表1 粉煤灰鳞片元素组成及含量

表2 粉煤灰鳞片氧化物含量换算结果

1.2 实验设备

实验所需设备主要有电热恒温鼓风干燥箱、平板高温导热仪、X射线衍射仪（XRD）、SEM扫描电镜和隔热测试仪（自制，见图1）。隔热测试仪主要包括加热管、接线柱、内外涂层热电偶以及主控系统。

1.3 实验过程

1.3.1 粉煤灰鳞片微观结构分析

利用SEM扫描电镜对粉煤灰鳞片进行微观结构观察。

1.3.2 高温导热系数测试

以0、5%、10%、15%的粉煤灰鳞片含量与高温炉料利用搅拌机充分混合后，每个配比制成2个直径20 cm、高2 cm的圆形平板，将表面抹平后放入干燥箱中烘干，多次测量恒重后取出。放入平板高温导热测试仪中设定测试温度，测试不同鳞片含量在100、200、300、400、500 ℃下的导热系数。运行仪器，当达到设定温度后，导热系数连续5次相差小于±0.5%后仪器自动输出测试结果，自动进行下一温度测试，直至所有温度测试完毕并输出测试结果。

1.3.3 涂层隔热性能测试

以0、5%、10%、15%的粉煤灰鳞片含量与高温炉料利用搅拌机充分混合后，涂抹在直径2 cm的石英加热管表面，控制涂层厚度为2 cm，表面涂抹平整后放入烘干箱中烘干，多次测量恒重后取出，按图1中所示一端热电偶分别固定在涂层内外表面，另一端连接测试仪器，设定温度100～500 ℃后进行隔热测试。运行仪器，当温度达到设定值并稳定后，重新设定温度并进行下一个温度的测试，每隔100 ℃调整一次，仪器将测试结果以Excel形式输出并通过u盘保存。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰鳞片与高温炉料混合形貌观察分析

图2为不同粉煤灰鳞片含量的高温炉料不加水搅拌后的宏观样貌。由图2可知，当高温炉料不含粉煤灰鳞片时，搅拌后涂料呈现较稀泥状；当粉煤灰鳞片质量分数不超过10%时，涂料搅拌后与0鳞片含量相比呈现较干泥团状；当粉煤灰鳞片质量分数超过10%后，涂料搅拌后呈现分散的泥球状，且十分干燥，需要加水搅拌才能进行样品制备。

图2 不同粉煤灰鳞片含量高温炉料搅拌后形貌

2.2 粉煤灰鳞片微观结构分析

用SEM扫描电镜对粉煤灰鳞片进行微观结构观察，结果如图3所示。由图3可以看到，粉煤灰鳞片的微观结构呈片状，且排列方式为平行层叠，鳞片大小不一，表面光滑并且带有银色亮光。由图2中还可以看到鳞片层叠形成的层状结构，这种结构形成的“迷宫”延长了腐蚀介质在涂层中扩散的路径，从另一方面延缓了介质的扩散速度。同样，这种“迷宫”一样的层状结构也会在涂层中形成大量的、存贮空气的小型中空结构，由于自然界中不流动的空气的导热系数是最低的，因此鳞片在涂层中的层状结构形成的“迷宫”同样能够有效延缓热量的传导，以达到隔热的效果[8-10]。

图3 粉煤灰鳞片微观形貌

2.3 不同粉煤灰鳞片含量对导热系数的影响

将不同粉煤灰鳞片含量的高温炉料制成直径20 cm、厚度2 cm的圆板，烘干后进行高温导热测试，与不含粉煤灰鳞片的高温炉料进行对比，结果如图4所示。由图4可知，随着高温炉料中粉煤灰鳞片的增加，涂料的导热系数也在不断降低，当含量为0时，高温炉料在500 ℃时导热系数为0.098 W·m-1·K-1；鳞片质量分数为5%时涂料的导热系数为0.094 W·m-1·K-1；鳞片质量分数为10%时导热系数为0.090 W·m-1·K-1；鳞片质量分数为15%时导热系数为0.084 W·m-1·K-1。当鳞片质量分数达到15%时，涂料的导热系数下降幅度明显变大。当鳞片在涂料中含量增加，一定厚度涂层中的鳞片数量增加，形成的层状结构中存贮空气的中空结构增多，由于空气的导热率是最低的，因此鳞片含量增加，涂料的导热系数降低。

图4 不同粉煤灰鳞片含量对高温炉料的导热系数影响

2.4 不同粉煤灰鳞片含量对隔热性能的影响

将粉煤灰鳞片与高温炉料混合后涂在加热棒上，烘干后对不同鳞片含量的隔热温差进行测试，结果如图5所示。

图5 不同粉煤灰鳞片含量对高温炉料隔热温差的影响

由图5可知，随着粉煤灰鳞片含量的增加，高温炉料的隔热温差不断增大。当含量较小时，对高温炉料的隔热影响不大，随着鳞片含量的增加，高温炉料的隔热效果逐渐明显，当质量分数达到15%时隔热效果最明显，并且随着温度的升高，温差逐渐增大。当温度达到500 ℃时，0鳞片含量的高温炉料涂层表面温度为233 ℃；当鳞片质量分数为5%时，涂层表面温度为213 ℃；当鳞片质量分数达到10%时，涂层表面温度为178 ℃；当鳞片质量分数达到15%时，涂层表面温度为152 ℃。由此可见，粉煤灰鳞片对涂料的隔热性能有增强作用，且在质量分数达到15%时增强效果最好。

3 结 论

本研究进行了粉煤灰鳞片的微观形貌观察，与高温炉料混合后进行高温导热测试以及隔热测试。对测试后结果分析发现，粉煤灰微观形貌呈现大小不一、平行层叠的鳞片组成的层状结构；随着粉煤灰鳞片在高温炉料中含量的增加，高温炉料的高温导热系数逐渐下降，涂层表面温度逐渐降低，并且在粉煤灰鳞片质量分数达到15%时下降幅度最大。因此，粉煤灰鳞片在涂层中由层状结构形成的“迷宫”对热量的传导有阻滞作用，从而增强材料的隔热性能。