建材制备（精选3篇）
建材制备 篇1
粉煤灰是煤粉经过燃烧之后, 从锅炉烟气中排放出的细灰状残留物, 其主要成分为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO等。白泥是氨碱法纯碱生产过程中产生的一种工业废渣, 其主要成分是CaCO3、CaCl2、NaCl、CaSO4、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、Fe2O3, 目前我国每年排放白泥约120万t[1]。两者均属工业废物, 且较难处置, 大量堆放会对环境产生较大危害。
为有效利用粉煤灰和白泥, 减少环境污染, 目前已提出了多种利用方案, 如:于水泥中高掺粉煤灰制备高性能混凝土[2];将粉煤灰用作天然橡胶混合物的补强或延伸剂[3];将白泥用作填埋场衬层防渗土料[4];将白泥与粉煤灰混合制作水泥掺和料[5]等。本文基于有效利用粉煤灰和白泥的目的, 提出将两者混合, 再加入灰渣、高岭土、水泥等添加剂, 分别用烧制与蒸制两种方法, 制成具有一定强度的砖体作为建材使用的方案, 通过试验, 得到了采用不同添加剂在不同配比条件下制成样品的抗压强度值, 筛选出强度达标样品的制备方案。
1 试验部分
1.1 试验材料
粉煤灰:取自青岛开源集团后海热电公司, 有效成分是:SiO2>50%, Al2O3>25%, Fe2O3>7%, 还有少量CaO、MgO、Na2O等。
白泥:取自青岛碱厂, 含水量约60%, 其主要成分:CaCO339.47%, CaSO412.42%, CaCl211.77%, NaCl6.20%, CaO 3.04%, Mg (OH) 215.37%, SiO25.04%, Al2O32.27%, Fe2O30.82%。
此外还有高岭土、水泥、灰渣等添加材料。
1.2 试验设备
大环刀:将混合好的样品塑造成圆柱形, 规格为底面积30 cm2, 高4 cm, 体积120 cm3;高压固结仪;马弗炉;高压蒸汽养护设备;材料试验机。
1.3 试验流程
试验的基本流程如图1所示。
1.4 试验结果
砖样强度测量结果见表1、表2。
根据试验数据来看, 烧制砖样强度均偏低, 无法达到国家现行粉煤灰砖的抗压强度标准国家标准《粉煤灰砖》 (JC239-2001) 的要求;而蒸制砖样中添加水泥的样品强度相对较高, 其中材料配比 (百分比) 为水泥∶粉煤灰∶白泥=20∶50∶30及水泥∶粉煤灰∶白泥=20∶60∶20的砖样达到了国家粉煤灰砖抗压强度标准中MU10级别, 就强度而言可以满足作为建材砖的要求。前者样品中抗压强度最高达10.867MPa, 平均抗压强度为10.806 MPa, 平均密度1081 kg m3;后者样品中抗压强度最高达12.100 MPa, 平均抗压强度为11.467 MPa, 平均密度1030 kg/m3。
另外对部分砖样进行了湿强度的测量, 发现湿强度略低于干强度, 且在蒸制样品中粉煤灰所占比列过大或者加入高岭土而没有水泥的情况下, 蒸制砖样会在水中溶解。含水泥的蒸制砖样则不会在水中溶解, 而且强度下降不明显。
2 结论
按不同比例将粉煤灰、白泥与高岭土、水泥、灰渣等添加剂混合制成样品, 经高温烧制制备的砖样强度较低, 不能达到国家标准, 不能用于建材砖使用。而加入水泥的样品经高温蒸制后可形成具有较高强度的砖样, 达到粉煤灰砖抗压强度国家标准的MU10级别, 且其湿强度较干强度下降不明显, 优化配比如下:
水泥∶粉煤灰∶白泥=20∶50∶30;平均强度10.806MPa, 平均密度1081 kg/m3;水泥∶粉煤灰∶白泥=20∶60∶20, 平均强度11.467 MPa, 平均密度1030 kg/m3。
3 展望
利用粉煤灰、白泥添加水泥经高温蒸制可制成满足国家粉煤灰砖抗压强度标准的砖样, 对于能否用作建材使用, 还需对其抗折、耐火、保温等指标进行进一步的研究, 以期为回收利用粉煤灰与白泥、减少环境污染提供一条途径。
参考文献
[1]刘亦凡.燃煤工业锅炉排气中SO2脱除与氨碱法纯碱厂的白泥治理[J].环境与发展, 1998 (1) :25-291.
[2]任勇华, 詹美洲, 张林绪, 等.高掺量粉煤灰高性能混凝土研究及其工程应用[J].粉煤灰, 1999 (2) :27-30.
[3]TChaowasa koo, N Sombatsompop.Mechanical and Morphological Properties of Fly Ash/epoxy Composites Using Conventional ThermalandMicrowaveCuringMethods[J].CompositesScience and Technology, 2007 (67) 2282-2291.
[4]刘兴超, 金春姬, 曹宣, 等.碱厂白泥作为填埋场衬层防渗土料的探索研究[J].岩土工程学报, 2006, 28 (6) 776-779.
[5]李宁, 常钧, 旺宏发.制碱白泥与粉煤灰混合制作水泥掺和料的研究[J].建筑材料科学报, 2007, 10 (2) :17-20.
建材制备 篇2
与传统相变材料相比, 相变微胶囊具有很多优点:如增大了材料的比表面积, 提高了导热系数;能有效降低多次循环使用带来的渗漏;可较大程度地消除相分离和过冷现象;降低某些相变材料的挥发毒性, 可解决与建筑基体材料相结合时表面结霜问题;提高了相变材料的耐久性, 延长了使用寿命等。由于过冷和相分离问题, 无机盐类相变材料很少被用作微胶囊的芯材, 常见的芯材主要有石蜡烷烃类、脂肪酸、酯、多元醇等有机材料。其中, 石蜡主要由含碳数14～30的直链烷烃构成, 具有相变温度范围广 (10～80 ℃) , 相变焓高 (200～300 kJ/kg) , 储能密度大、价格便宜、不过冷、化学性质稳定、无毒无腐蚀性等优点, 同时作为被包裹的囊芯, 可以克服石蜡本身导热系数低, 可能被空气氧化为有机酸等缺点, 所以石蜡类相变材料成为了一种较理想的微胶囊囊芯材料。在有机、无机类壁材包裹石蜡芯材制备石蜡相变微胶囊领域目前已进行了深入的研究。
1有机壁材
有机材料是用于制备石蜡相变微胶囊的主要壁材, 包括天然高分子材料如明胶、阿拉伯胶等;合成高分子材料, 如聚烯烃、 聚脲、脲醛树脂、蜜胺树脂等。用有机壁材包裹石蜡烷烃类囊芯制备石蜡微胶囊, 国内外均有大量报道, 形成了较成熟的制备方法, 主要有原位聚合法、界面聚合法、细乳液聚合法、复凝聚法、喷雾干燥法等。
1.1原位聚合法
原位聚合法是指在胶囊化的过程中, 形成囊壁的聚合反应的单体及催化剂全部加入分散介质 (或连续相) 中, 囊芯材料为分散相, 使其均位于芯材的内部或者外部。单体在微胶囊体系的连续相中是可溶的, 而聚合物在整个体系中是不可溶的。聚合反应在芯材的表面上发生, 聚合单体产生相对低分子量的预聚物, 当预聚物尺寸逐步增大后, 沉积在芯材物质的表面, 由于交联及聚合的不断进行, 最终形成固体的胶囊外壳, 所生成的聚合物薄膜可覆盖芯材的全部表面。均聚、共聚、缩聚等高分子反应都可用原位聚合法制备微胶囊[3]。原位聚合法以其成球容易、包覆率易控制、产率高、成本低、易于工业化等优点而被广泛应用。
Choi[4]用原位聚合法合成了以二聚氰胺-甲醛树脂为壳的正十四烷微胶囊, 所用乳化剂为SMA (苯乙烯-马来酸酐-马来酸单甲酯共聚物) 。将预备好的正十四烷乳化液加入水溶性二聚氰胺-甲醛预聚体体系中, 在60 ℃水浴和600 r/min的机械搅拌下聚合3 h得到相变微胶囊。乳化阶段搅拌速度为8 000 r/min。所得产品平均粒径为4.25 μm, 相变温度和相变潜热分别为7.69 ℃和291.96 J/g。
同济大学李[5]采用原位聚合法制备了石蜡-脲醛树脂微胶囊, 探讨了乳化剂种类、乳化剂用量、NaCl、芯壁比等制备过程参数对微胶囊表观形态、蓄热性能、粒径分布、包裹效率的影响。谢家庆、毛华军[6]等研究了影响石蜡-脲醛树脂微胶囊相变潜热和平均粒径的主要因素, 包括芯壁材料比、搅拌速度、温度、系统改性剂PVA (聚乙烯醇) 用量等, 并确定了其最佳工艺条件。
天津工业大学张兴祥等[7]以正十八烷为囊芯、三聚氰胺甲醛树脂或蜜胺树脂为壁材, 用原位合成法制备微胶囊。探讨了在乳液制备、预聚体制备和聚合过程中pH值对乳液和预聚体稳定性, 以及微胶囊表面形貌和性能的影响[8];将不同比例的环己烷加入囊芯, 发现环己烷的加入对结晶成核有很大影响。随着环己烷添加量的增加, 经过热处理的胶囊的凹陷增大, 具有凹陷的胶囊数增加, 其耐热温度也相应增大;环己烷经过热处理挥发而产生的预留空间对胶囊耐热性提高起主要作用[9];热处理温度对胶囊的热稳定性有很大影响[10]。
1.2界面聚合法
界面聚合法早在20世纪50年代就已提出。在界面聚合法制备微胶囊的工艺中, 囊壁是通过2类单体的聚合反应形成的, 一类是油溶性的单体, 另一类是水溶性的单体。它们分别位于芯材液滴的内部和外部, 并在芯材液滴的表面进行反应, 形成聚合物薄膜。界面聚合法既适用于水溶性芯材也适用于油溶性芯材, 具有反应速度快、反应条件温和、对反应单体纯度要求不高、原料配比要求低等优点, 但要求单体必须有较高的反应活性, 能进行缩聚反应。
Cho J S[11]等通过界面聚合法合成了以正十八烷为核、聚脲为壳的微胶囊, 所用成壳单体分别为甲苯二异氰酸酯 (TDI) 和二甲乙基三胺 ( DETA) , 乳化剂为NP-10。将正十八烷和TDI溶入环己烷后倾入NP-10的水溶液中, 高速搅拌得到O/W乳液。将DETA水溶液缓缓加入到上述乳液中, 加热到60 ℃, TDI和DETA发生界面聚合, 经水洗干燥后得的微胶囊粒径约为1 μm, 表面光滑, 分布均匀, 相变温度为28～30 ℃, 相变焓为241.2 J/g, 略小于纯正十八烷。
兰孝征[12,13]、邹光龙[14,15]以界面聚合法制备了石蜡微胶囊:以甲苯-2, 4-二异氰酸酯及二元胺分别为有机相、水相的单体, 聚乙二醇辛基苯基醚 (OP) 为水相乳化剂, 考察了二乙烯三胺、乙二胺、己二胺3种胺与异氰酸酯反应的三种聚脲微胶囊体系。对其化学结构、粒径分布、热稳定性、融化潜热等特性进行了研究, 表明聚脲囊壁并不影响其包覆芯材石蜡的融化和凝固行为;微胶囊经受多次冷热循环而保持其储热容量不衰减。微胶囊直径约为0.2 μm, 包裹效率在60%～80%。实验结果表明由异氰酸酯与胺反应形成聚脲囊壁材料是一种快速、有效的包裹石蜡的方法。
综合应用原位聚合和界面聚合法可以制备双层囊壁的石蜡微胶囊, 使之兼具2种囊壁材料的优点。天津大学李刚等人发明了一种新型的聚脲-脲醛树脂双层微胶囊的制备方法[16]采用界面聚合法, 以戊二醛改性多元胺类化合物和二异氰酸酯化合物为单体进行界面聚合, 制备聚脲微胶囊;采用原位聚合法, 以聚脲微胶囊为内核, 以尿素和甲醛为单体, 在酸性条件下生成脲醛树脂外壳, 得到聚脲-脲醛双层微胶囊。具有较大的壁厚, 胶囊透明圆整, 具有良好的强度、韧性、耐酸性和密封性。华南理工大学袁文辉等人[17]采用芯材相变材料为相变温度为20～70 ℃链烷烃或混合物石蜡, 壁材内壳层为聚脲材料, 由多元胺、多元醇与异氰酸酯或酰氯界面聚合而成;外壳层由三聚氰胺与甲醛原位聚合而成, 可以解决乳化剂、反应单体等在芯材中难溶解的问题。
1.3复凝聚法和喷雾干燥法
由2种或多种带有相反电荷的线性无规则聚合物材料作囊壁材料, 将芯材分散在囊壁材料水溶液中, 在适当条件下 (例如pH值、温度、稀释、加入无机盐电解质等) , 使得相反电荷的高分子材料间发生相互作用, 溶解度降低并产生相分离, 凝聚形成微胶囊。实现复凝聚的必要条件是2种聚合物离子的电荷相反, 且所带电荷数相等。
Hawlader、Uddin[18]等人用复凝聚法, 以阿拉伯树胶和明胶为壁材, 石蜡为芯材, 制成了直径在微米级的微胶囊。首先将石蜡置于明胶水溶液中乳化在65 ℃时逐滴加入阿拉伯胶溶液, 得到混合均匀的乳液。继而调节乳液pH=4再加入甲醛作为交联剂。反应完全后降至室温, 并调节pH=9, 此时浊液发生相分离, 将富相中的微胶囊硬化、过滤、分离即可得到产物。对产物的各种性能进行了详细研究后发现:壳材用量、乳化时间和交联剂用量对成核率及粒径分布有很大影响。微胶囊在热力循环过程中表现出较好的力学性质和蓄热能力, 化学性质和结构轮廓不变, 有望用作太阳能蓄能材料。
清华大学王懿[19]等人也以明胶和阿拉伯胶为壁材, 制备了囊芯为十四烷和熔点为20 ℃的石蜡的微胶囊, 以甲醛和戊二醛为交联剂, NaSCN、丹宁酸、乙醇和CrCl3为坚膜剂, 制备了粒径在5～9 μm, 相变焓为92.46 J/g和139.65 J/g的微胶囊, 具备较好的强度。
1.4细乳液合成法
传统的乳液合成法中, 以单体溶胀的胶束为主要成核场所, 单体液体起“单体库”作用[20,21], 同时伴有液相中少量的均相成核产生聚合物沉淀。而细乳液聚合法除了使用乳化剂以外, 还引入了高疏水的共稳定剂产生渗透压来降低不同尺寸液滴之间的单体扩散, 并采用如超声粉碎、高速搅拌、超重力设备等高强度均化器, 形成直径在50～500 nm之间的细小单体液滴, 比表面积大大增加, 将绝大部分的乳化剂吸附到液滴表面, 没有足够的乳化剂形成胶束或者稳定的均相成核, 聚合以液滴成核为主。采用细乳液合成法可以制备纳米或亚微米的相变微胶囊。
Torini等[22]在乳液体系中通过细乳液界面聚合法合成了以环己烷为核、聚氨酯为壳的纳米胶囊, 所用的成壳单体分别为异尔酮二异氰酸酯 (IPDI) 和1, 6-己二醇 (HDOH) 。将溶有IPDI的环己烷加入到含有表面活性剂去离子水中, 用磁力搅拌器预乳化, 在超声波作用下微乳化, 得到纳米级的O/W型乳液。然后在超声波作用下将含有HDOH的去离子水逐滴加入到上述乳液中并加热到40 ℃, IPDI与HDOH在水-油界而聚合, 经离心分离、冷冻干燥得到纳米胶囊。粒径约为200 nm, 且表面光滑、粒径分布均匀。
罗英武等[23]应用细乳液聚合法合成了以石蜡为囊芯、聚苯乙烯为囊壁, 平均粒径为100 nm的胶囊。方玉堂、匡胜严[24]等人采用超声波工艺及细乳液原位复合方法, 研制了以聚苯乙烯为囊壁、正十八为囊芯的纳米胶囊, 平均粒径为124 nm, 相变焓可达124.4 kJ/kg, 并讨论了引发剂、链转移剂、表面活性剂以及正十八烷/苯烯比等对乳胶粒子的形态、胶囊材料热性能的影响。
喷雾干燥法首先将芯材物质分散在预先液化的壁材溶液里, 然后在高温气流中将其雾化, 使溶解壁材的溶剂迅速蒸发, 从而固化壁材, 制成微胶囊。Hawlader、Uddin[25]等人将石蜡在10 000 r/min条件下乳化于质量分数10%的明胶溶液中, 并与质量分数10%的阿拉伯胶溶液搅拌混合均匀, 在25 000 r/min转速下以20 mL/min的速度对混合溶液进行喷雾干燥, 得到了粒径0.2 μm左右、石蜡质量分数为50%的微胶囊。
2无机囊壁
无机材料用作石蜡相变微胶囊囊壁研究, 国内外报道较少, 尚未发展为成熟的制备工艺。Holman[26]以石蜡烃为囊芯, 含有金属氧化物的凝胶为囊壁, 经过喷雾法获得了平均粒径小于50 μm的凝胶涂敷相变微胶囊, 这种胶囊在抗压性和阻燃性方面得到了明显改善。这种胶囊的密封性和韧性良好, 但是易吸水, 热稳定性性较差。
日本的中原先生提出以难溶性无机盐为壁材的微胶囊制备方法, 采用界面反应法, 使用硅酸钙为壁材, 石蜡为囊芯制备相变材料微胶囊, 用来作为工业上的热能传输流体的添加剂, 减少热能传输过程中的热损失。使用硅酸钙作为壁材的微胶囊强度比较高, 在热量传输过程中不太容易破裂, 但这种微胶囊在制作过程中流程比较复杂, 需要形成复合乳液的形态, 并且要在各个阶段使分散液保持稳定, 微胶囊的包裹率也较低。
采用无机囊壁材料, 与有机囊壁相比, 微胶囊有较高的机械强度、阻燃性、耐热性和导热系数, 可以降低微胶囊的生产成本, 具有较高的研究价值。但是如何解决无机囊壁与石蜡囊芯的界面结合问题, 如何开发可用于微胶囊包裹的无机材料种类, 如何提高无机囊壁的包裹效率, 如何减小微胶囊的尺寸, 如何发展并简化其制备工艺等问题, 有待于进一步的深入研究。
将某些无机材料作为填充组分补强有机囊壁或在原有囊壁上进行第2层包裹形成复合囊壁结构, 可以发挥有机与无机囊壁的双重优点, 优化微胶囊使用性能。天津大学时雨荃等[27]在以液体石蜡作为芯材, 脲醛树脂作为壁材, 用原位聚合法合成相变微胶囊的过程中, 填充了纳米TiO2粒子。结果表明, 微胶囊壁里引入纳米粒子能有效地起到减少吸水性、提高热稳定性、增加力学强度、改善密封性能的作用, 从而提高微胶囊的使用寿命。刘星[28]等将用聚乙烯定形后的石蜡用粉碎机粉碎, 在包衣机中喷入硅酸钠溶液硫酸钙溶液和一定量盐酸溶液, 用热空气干燥得到硅胶包裹的微胶囊产品。但所得胶囊尺寸较大, 工艺有待进一步改进。
3在建材中的应用
石蜡微胶囊应用于建筑材料, 发挥其储能调温作用, 能提高建筑物的热惰性, 降低空调能耗;同时石蜡密度较小, 能满足轻型建筑的需要。传统的浸渍法将相变材料与建筑基体结合存在混合不均匀、容易表面结霜等问题;宏封装技术又存在施工困难、难以维修、使用不便 (如不能钉钉子) 等问题, 而且导热系数不高。采用微胶囊可以克服这些缺点, 较好地与建筑基体结合。
德国BASF公司研制出含石蜡微胶囊10%～25%的石蜡砂浆 (每m2墙面上有750～1 500 g石蜡微胶囊) , 每2 cm厚的该砂浆的蓄热能力相当于20 cm厚的砖木结构。这种砂浆用于内墙表面可以有效减小室内温度波动, 减少空调用电。石蜡微胶囊还可以与太阳房中的蓄热器、集热器、换热器等仪器组合成太阳能利用系统, 也可以在夜间利用低价电对相变材料进行能量储存, 在白天通过相变材料释放热量, 充分利用“削峰平谷”的电力政策。石蜡微胶囊在建材领域有很好的应用前景, 随着其生产的工业化, 必将大规模应用于建材与建筑节能领域。
4结语
建材制备 篇3
目前,建筑外墙外保温工程所使用的有机保温材料本身的材料性能不能满足现有产品标准的阻燃性要求,尤其是挤塑聚苯乙烯保温板(XPS,简称“挤塑板”)。国内连续发生多起建筑火灾事故,这当中,易燃性外墙保温材料已成为引发建筑火灾的一个重要诱因,为此公安部、住建部于2009年9月25日联合出台了公通字[2009]46号《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》,公安部于2011年3月14日公布了公消[2011]65号,要求“民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料”。因此,研究并推广隔热性能良好的新型保温材料成为当务之急,新型气凝胶高效隔热复合材料的开发对于解决这一难题具有十分重要的意义。
1 SiO2气凝胶的特性
SiO2气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料,它具有纳米结构(孔洞1~100 nm,骨架颗粒为1~20 nm)、表面积大(最高可达800~1000 m2/g)、孔洞率高(可高达80%~99.8%)等特点。SiO2气凝胶独特的结构特性使得其在热学、电学、声学、光学等方面具有优异的性能。产品具有很高的附加值,因此,被称为超级保温材料,在建筑节能、能源、环保、航空航天、输油管道、太阳能集热、炉窑保温等很多领域具有极大的应用潜力。SiO2气凝胶的主要特性如下。
1.1 优异的隔热性能
SiO2气凝胶具有优异的绝热性能,常温常压下SiO2气凝胶粉体总导热系数小于0.015 W/(m·K),块体总导热系数小于0.013 W/(m·K),真空条件下粉体总导热系数小于0.003W/(m·K),块体总导热系数小于0.007 W/(m·K),远低于常温下空气的导热系数[0.025 W/(m·K)],为目前世界上高温隔热领域导热系数最低的材料之一。
1.2 独特的耐火焰烧穿性能
SiO2气凝胶自身不可燃,具有独特的耐火焰烧穿性能,可长时间承受火焰直接灼烧。在高温或火场中不释放有害物质,同时能有效阻隔火势的蔓延,为火场逃生提供更多宝贵时间。
1.3 良好的热稳定性
SiO2气凝胶热稳定温度高达600℃(700℃以上孔隙率降低,直至烧结成致密SiO2),在300℃以下使用具有超级疏水性。
1.4 优异的隔声性
SiO2气凝胶还具极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积等优异性能。SiO2气凝胶以其优异的保温隔声性能有望成为一种环保型高效保温隔声轻质建材。
1.5 较好的透光性
SiO2气凝胶还具有透光性,可以有效地透过可见光,同时可以高效地阻隔红外辐射,因此,用于建筑物可以很好地兼顾采光和节能。
1.6 很好的化学稳定性和环保性
SiO2气凝胶主要成分为合成SiO2,环保无毒,可长期耐受除氢氟酸外的大部分酸碱环境,不分解、不变质,在常规使用环境下具有极长的寿命,是一种防潮、防霉、防菌、抗紫外线、整体疏水不会引起变形,并具有优良的绝热性和隔声性能,可被开发成为良好的完全可循环的生态建筑材料。
SiO2气凝胶的表观密度为0.003~0.350 g/cm3,比表面积为600~1000 m2/g,平均孔径约20 nm,平均粒径2~5 nm,耐热度为500℃,热膨胀系数为2.0×10-6~4.0×10-6,介电常数约1.1(ρ=0.1 g/cm3),声音传播速度100 m/s(ρ=0.07 g/cm3)。Si O2气凝胶外观及耐热性能测试示意见图1。
2 SiO2气凝胶在国内外的研究进展
SiO2气凝胶早在70年前就已经被发现,1931年美国加州太平洋大学的Kistler S采用了超临界干燥的方法从水凝胶中去除水分,得到了第1份没有收缩的气凝胶材料,但早期的气凝胶非常易碎且价格昂贵,所以主要在实验室里使用。直到10年前美国宇航局开始对这种物质感兴趣,并让其走出实验室发挥更为实际的用途。
美国阿斯彭(ASPEN)公司对气凝胶隔热的研究较早,对气凝胶隔热机理认识比较深刻,主要针对柔性气凝胶隔热产品的开发和应用。但是,美国气凝胶产品对中国却完全禁用。
国内的同济大学、厦门大学、北京科技大学等对SiO2气凝胶也有研究,但都仅限于基础研究领域。浙江绍兴的纳诺高科有限公司率先将SiO2气凝胶产业化,但该公司在生产过程中要用到价格昂贵的有机硅作为原料,同时还要应用投资较大的超临界技术,因此,生产的SiO2气凝胶价格非常昂贵(高达2000~3000元/kg),限制了其应用范围。
目前,如何优化和改善SiO2气凝胶的生产工艺,降低生产成本,是SiO2气凝胶大面积成功应用于建筑材料的关键。北京建筑材料科学研究总院有限公司利用水玻璃作为原料,选用常温常压干燥技术制备SiO2气凝胶,极大地降低了气凝胶的制造成本(30~50元/kg),使得纳米SiO2气凝胶在建筑材料领域的大面积应用成为了可能。SiO2气凝胶与玻璃纤维等耐热纤维骨架复合后,将成为最好的固体保温隔热材料之一。
以下将超临界干燥技术与常温常压干燥技术2种技术进行比较。
超临界(Super Critical)干燥技术工艺的不足与缺点主要表现为,现有的生产技术是使用离子交换树脂,采用超临界生产技术设备,具有高温、高压的危险隐患,生产设备费用高,初期投资(设备、原料)费用高,不能连续生产,生产周期长,超临界干燥工艺如图2所示。
常温常压干燥技术工艺则不使用任何离子交换树脂,干燥过程中脱水与防水化同时进行,提高了效率,常温常压下生产所需时间是4~5 h(原工艺需要100 h以上),具备持续大量生产的能力;减少利用防水化材料,程序费用减少了;以水玻璃为原料,成本较低,产品具有价格竞争优势,仅为采用超临界干燥工时的1/10~1/8。常温干燥防水化工艺流程见图3。
2种工艺过程差异较大,但制备的气凝胶性能却基本一致,2种工艺制备的气凝胶技术指标比较见表1。由表1可以看出,常温干燥工艺技术具有很好的创新性,生产出的产品性能能够满足需要,且具有较高的性价比。
3 SiO2气凝胶的应用
SiO2气凝胶在建筑中的应用,国内尚属空白,现在的研究主要在开发高附加值的应用产品,如应用在航天、药物载体等。而在国外,自2000年以来对于建筑用气凝胶材料已经有了一定的研究和应用。现在主要研究的方向有气凝胶节能窗、气凝胶涂料、气凝胶新型板材和屋面太阳能集热器。SiO2气凝胶在热学、光学、声学等方面具有优异的性能,有望发展成为21世纪环保型高效保温隔声轻质新型建材。SiO2气凝胶在节能建筑领域表的主要应用包括以下几个方面。
3.1 气凝胶新型板材、真空绝热板
导热系数为0.02 W/(m·K)的SiO2气凝胶新型板材、真空绝热板(VIP)能够实现很好的节能效果。如果将该材料的保温厚度改为3 cm,制作成空心砖墙可节能62.9%,实心砖墙面可节能74.7%。这种保温效果均已超过我国节能要求,而且可以减薄空心砖和实心砖的墙体厚度分别为0.13 m、0.37 m,不但可节省占地用土、烧制用煤,还减轻了建筑物承重等。
3.2 气凝胶复合玻璃棉保温板
利用纳米SiO2气凝胶改进传统保温材料玻璃棉、岩棉,可将玻璃棉、岩棉导热系数降低60%,在达到相同保温效果情况下,玻璃棉、岩棉板厚度可减少50%。近几年,北京建筑材料科学研究总院有限公司通过与美国、韩国气凝胶公司的技术合作中,对纳米SiO2气凝胶制备技术以及改进传统保温材料方面进行了一些研究和探索,取得了一定的进展和效果,具备了一定的制备技术和应用基础。
3.3 柔性隔热毡
以SiO2气凝胶为主体材料,通过特殊的制造工艺复合而成的柔性隔热毡具有导热系数低、密度小、柔韧性高、绿色环保、防水等优越性能,同时兼具优越的隔声减震性能,可取代聚氨酯泡沫、石棉保温毡、硅酸盐纤维等传统柔性保温材料。
3.4 采光隔热板
采光隔热板系列产品是以半透明SiO2气凝胶颗粒、薄膜或板材为主体夹层材料,与优质玻璃钢材料复合制成,具有透光、隔热、绿色环保、防水不燃等优越性能,不含任何对人体有害的物质,应用领域广、施工方便,能够为大型剧院、展览中心、会议中心、特殊试验中心、高级宾馆、别墅、太阳能集热器等提供透明隔热的高级绝热保温产品。
3.5 气凝胶节能玻璃
在双层玻璃中间填充透明保温材料是降低通过玻璃层传热的方法。SiO2气凝胶材料有很小的孔结构,比可见光的波长小很多。在SiO2气凝胶中,约占气凝胶体积95%~99%的空气存于比空气平均自由路径还小的细孔中。由于气凝胶具有足够的抗压强度,能平衡外界气压,故由气凝胶制备的玻璃既满足热绝缘性能,也满足光学性能的要求,从外观和透明度看和普通玻璃相似,但它的耐热性极高、阻燃、抗放射性辐射,还可以调色和吸声。
3.6 屋面太阳能集热器
在国外,气凝胶用于屋面的太阳能集热器已经有很长时间了。在民用领域,太阳能热水器及其它集热装置高效保温,成为提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高其实用性的关键因素。随着纳米孔超级绝热材料生产技术的不断成熟和生产成本的不断降低,该SiO2气凝胶首先应用在家庭及单位的太阳能热水器上。将SiO2气凝胶应用于热水器的储水箱、管道和集热器上,将使现有太阳能热水器的集热效率提高1倍以上,热损失下降到现有水平的30%以下。
4 应用存在的问题及解决途径
4.1 气凝胶的强度
SiO2气凝胶作为绝热材料的主要困难是其强度低、脆性大。纳米级孔隙结构在外在压力下很容易被破坏(杨氏模量小于10 MPa,抗拉强度仅为16 k Pa,断裂韧度小于0.8 kPa/m)。为了克服SiO2气凝胶的力学性能低这一缺点,研究者将气凝胶与其它材料复合,制备出了既具有优良绝热性能又具有一定强度的复合型纳米孔超级绝热材料,例如,用纤维作为增强相,制备增强型气凝胶隔热复合材料。在不太影响隔热效果的前提下,所制备的材料可以大幅改善气凝胶的力学性能。随着生产厂家对制备和使用技术的攻关,产品生产规模的不断扩大,SiO2气凝胶在建筑隔热工程领域将得到广泛应用。
4.2 气凝胶的疏水性
因普通的SiO2气凝胶具有的表面开放多孔结构以及亲水性基团硅羟基,使得SiO2气凝胶非常容易吸收水或水蒸气,造成材料的载荷增加,抗张强度大幅度降低,有时甚至会导致SiO2气凝胶开裂直至完全损坏。目前,由于制备需要高温高压或高压的超临界干燥设备,以及价格昂贵的醇盐原料,如正硅酸乙酯或正硅酸甲酯等,纳米SiO2气凝胶作为隔热材料的发展受到限制,仅在航天领域或高档设备仪器中得到应用。因此,如何改性SiO2气凝胶,使其由亲水变为疏水,通过常压干燥并保持气凝胶独特的结构,开发出节能隔热新型建筑材料显得至关重要。
4.3 气凝胶的成本
在建筑领域,气凝胶合成应用成本过高,只有降低气凝胶的生产成本,才能使得这种新型的功能材料得到广泛应用。由于超临界干燥设备需要的投资大、成本高、高压设备操作危险,因此,采用常压干燥能够解决上述问题。但常压干燥工艺用于大规模生产气凝胶时,如何稳定地提高反应速度,加快改性液的渗透性,以及在建筑上应用,应采用什么样的应用形式是目前急需解决的问题。
5 应用前景