淀粉泡沫填充地聚物保溫隔熱材料的制備及性能研究

姚舜禎，林世明，譚登峰，韋 平，莫羨忠

(1.廣西師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530200）

淀粉泡沫填充地聚物保溫隔熱材料的制備及性能研究

姚舜禎1，林世明1，譚登峰2，韋 平2，莫羨忠1

(1.廣西師范學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530200）

以地聚物和淀粉泡沫顆粒為原料制備了外墻保溫隔熱材料，研究其表觀密度、抗彎性能、吸水率及保溫性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料的表觀密度在1.01~1.78g·cm-3之間，抗彎強(qiáng)度在2.81~1.35MPa之間，吸水率在0.67%~20.5%之間。與純地聚物相比，添加了7.5份淀粉泡沫顆粒的地聚物復(fù)合材料其導(dǎo)熱系數(shù)由1.99W·(m·K)-1降到1.46W·(m·K)-1。

地聚物；淀粉泡沫顆粒；保溫隔熱材料

為了節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，人們開始關(guān)注新型墻體保溫材料的開發(fā)和應(yīng)用，我國(guó)建設(shè)部也要求各地進(jìn)行墻體保溫材料的大范圍使用[1]。目前我國(guó)墻體保溫材料大多以聚苯乙烯泡沫顆粒填充水泥砂漿保溫隔熱材料為主[2]，但是聚苯乙烯泡沫顆粒(EPS)材料因其易燃、發(fā)煙量大、燃燒產(chǎn)物毒性高等缺點(diǎn)而受到人們的普遍詬病[3-6]。

地聚物是一種由M2O·mAl2O3·nSiO2構(gòu)成的無(wú)機(jī)凝膠材料，通常m≈1并且2≤n≤6，式中的M通常代表一種或多種堿金屬[7-8]。地聚物與普通硅酸鹽水泥相比具有高電阻性能、高阻燃性能、高耐酸性能和耐鹽性能[9]，尤其是地聚物具有低導(dǎo)熱系數(shù)和較好的力學(xué)性能，可以用來(lái)制備廉價(jià)而性能優(yōu)越的保溫基體材料[10-11]。以淀粉泡沫顆粒代替聚苯乙烯泡沫顆粒，不僅可以克服聚苯乙烯材料的缺點(diǎn)，而且還具有低煙、低毒、可再生和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

本文以廣西豐富的高嶺土為主要原料制備地聚物，將其作為基體材料，以淀粉泡沫顆粒為輕質(zhì)填充材料制備新型保溫隔熱材料，研究其制備工藝和各項(xiàng)理化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

1.1.1 主要試劑

高嶺土（工業(yè)級(jí)），水玻璃（工業(yè)級(jí)），氫氧化鈉（分析純），淀粉泡沫顆粒（工業(yè)級(jí)，粒徑6~15mm，表觀密度0.075g·cm-3）。

1.1.2 主要儀器

模具（尺寸100mm×100mm×10mm，實(shí)驗(yàn)室自制），YHGSF-10L玻璃反應(yīng)釜， BS210g型電子天平，DZF-1B型電熱恒溫干燥箱，WDW-W50微機(jī)控制人造板萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)， DZDR-R導(dǎo)熱儀。

1.2 地聚物基淀粉泡沫顆粒復(fù)合材料的制備

1.2.1 淀粉泡沫顆粒的表面改性

為了降低淀粉泡沫顆粒的吸潮性，需要對(duì)其進(jìn)行表面改性。將稱好的二甲基硅油倒入稱好的粒徑為6~15mm的淀粉泡沫顆粒中，攪拌均勻后充分干燥，使淀粉泡沫顆粒表面覆蓋一層油膜，從而阻止水分進(jìn)入到淀粉泡沫顆粒內(nèi)部進(jìn)而降低其吸潮性。

1.2.2 偏高嶺土的制備及堿激液的配制

將高嶺土于100℃下烘干2h后，過(guò)0.15mm標(biāo)準(zhǔn)篩，然后在850℃下煅燒4h制得偏高嶺土。將氫氧化鈉、水、水玻璃稱量好之后，先將氫氧化鈉倒入水玻璃中，再將水倒入之前盛放氫氧化鈉的燒杯中。將燒杯震蕩后再將燒杯中的溶液用玻璃棒移到已加入氫氧化鈉的水玻璃中，確保氫氧化鈉全部被移到水玻璃中。配好堿激液后，靜置2h備用。

1.2.3 地聚物基淀粉泡沫顆粒復(fù)合材料的制備

先將1/3稱量好的偏高嶺土倒入堿激液中，用玻璃棒快速攪拌，然后再倒入大概1/3的偏高嶺土，再繼續(xù)快速攪拌，最后將剩下的1/3偏高嶺土倒入堿激液中快速攪拌，然后倒入稱好的淀粉泡沫顆粒，攪拌均勻后將堿激液和偏高嶺土以及泡沫顆粒復(fù)合好的凝膠體倒入模具使其成型。注模后將模具放在干燥養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，在70℃下養(yǎng)護(hù)4h。脫模，然后在25℃下分別養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d后測(cè)試其各項(xiàng)性能。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 試樣表觀密度的測(cè)試

試樣單位體積所擁有的質(zhì)量為試樣的表觀密度。試樣的表觀密度與試樣的各項(xiàng)性能密切相關(guān)，并且試樣的表觀密度本身也是衡量試樣性能的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文對(duì)試樣的表觀密度進(jìn)行了測(cè)試。先將試樣用鋸子分割成20mm×20mm×20mm的立方體，然后用游標(biāo)卡尺對(duì)試樣的長(zhǎng)寬高進(jìn)行精確測(cè)量，并記錄，計(jì)算其相應(yīng)精密的體積值，用電子分析天平精確稱量相應(yīng)試樣質(zhì)量，用以下公式精確計(jì)算其表觀密度：

其中：ρ為試樣表觀密度；m為試樣質(zhì)量；V為立方體試樣體積。

1.3.2 抗彎性能的測(cè)定

分別將養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d的樣品，用WDW-W50微機(jī)控制人造板萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 17657-1999人造板靜曲強(qiáng)度和彈性模量測(cè)定》。

1.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定

將測(cè)試材料用DZDR-R導(dǎo)熱儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 10294-2008絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 防護(hù)熱板法》。

1.3.4 試樣吸水性的測(cè)定

試樣的吸水性是指單位質(zhì)量的試樣在單位時(shí)間內(nèi)在水中吸收水量的多少。對(duì)于保溫隔熱材料來(lái)說(shuō)，材料的吸水性在很大程度上影響保溫隔熱材料的保溫隔熱性能。本文以在標(biāo)準(zhǔn)條件下將試樣浸入水中達(dá)限定時(shí)間后，質(zhì)量的增加為試樣吸水性能優(yōu)劣的判定標(biāo)準(zhǔn)。具體測(cè)試方法如下：

首先將試樣于烘箱60℃下烘干2h，用電子分析天平稱其質(zhì)量m1，然后將試樣于一盛有去離子水的大燒杯中在環(huán)境溫度25℃下浸泡2h，撈出用干布抹干其表面水分，用電子分析天平稱其質(zhì)量m2。試樣吸水率按下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：w為吸水率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉泡沫顆粒的表面改性

圖1是改性淀粉泡沫顆粒與地聚物復(fù)合試樣和未改性淀粉泡沫顆粒與地聚物復(fù)合試樣的對(duì)比圖。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)表面改性的淀粉泡沫顆粒與地聚物進(jìn)行復(fù)合后，其試樣的孔洞明顯比未經(jīng)過(guò)表面改性的淀粉泡沫顆粒與地聚物復(fù)合的試樣要少很多，并且形狀也小很多，有利于表面改性后，淀粉泡沫顆粒與地聚物復(fù)合材料力學(xué)性能和保溫隔熱性能更好地發(fā)揮。

圖1 淀粉泡沫顆粒改性前后復(fù)合試樣對(duì)比圖

2.3 淀粉泡沫顆粒的添加量對(duì)復(fù)合試樣表觀密度的影響

圖2 復(fù)合材料的表觀密度和淀粉泡沫顆粒用量的關(guān)系

圖2為復(fù)合材料的體積密度和淀粉泡沫顆粒用量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，其表觀密度隨淀粉泡沫顆粒添加量的增大而減小。加0份淀粉泡沫顆粒時(shí)，地聚物復(fù)合試樣表觀密度為1.78g·cm-3，加7.5份淀粉泡沫顆粒時(shí)，復(fù)合材料表觀密度為1.01g·cm-3，表觀密度減小了73%。可以看出隨著淀粉泡沫顆粒增加，復(fù)合材料的密度明顯下降。

2.4 淀粉泡沫顆粒的添加量對(duì)復(fù)合試樣抗彎性能的影響

圖3分別為養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d，復(fù)合材料試樣的抗彎性能與淀粉泡沫顆粒添加量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，其抗彎性能隨淀粉泡沫顆粒添加量的增大而減小，說(shuō)明淀粉泡沫顆粒的加入使得地聚物的抗彎性能降低了。同樣是在養(yǎng)護(hù)28d的條件下，加0.5份淀粉泡沫顆粒的地聚物復(fù)合試樣力學(xué)性能為2.81MPa，加7.5份淀粉泡沫顆粒的復(fù)合材料其抗彎性能為1.35MPa，抗彎性能降低了108%。并且我們還可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，其力學(xué)性能也會(huì)隨著增加。其主要原因是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，地聚物體系內(nèi)部會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，使得試樣的力學(xué)性能增強(qiáng)。

圖3 復(fù)合材料的抗彎性能和淀粉泡沫顆粒用量的關(guān)系

2.5 淀粉泡沫顆粒的添加量對(duì)復(fù)合試樣的導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4為復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和淀粉泡沫顆粒用量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，其導(dǎo)熱系數(shù)隨淀粉泡沫顆粒添加量的增大而減小。未加淀粉泡沫顆粒時(shí)，純地聚物試樣導(dǎo)熱系數(shù)為1.99W·(m·K)-1，加7.5份淀粉泡沫顆粒時(shí)，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.46W·(m·K)-1，導(dǎo)熱系數(shù)下降了26.4%，即復(fù)合材料的保溫性能提高了26.4%。

圖4 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和淀粉泡沫顆粒用量的關(guān)系

2.6 淀粉泡沫顆粒的添加量對(duì)復(fù)合試樣的吸水率的影響

圖5為復(fù)合材料的吸水率和淀粉泡沫顆粒用量的關(guān)系圖。從圖中可以看出，其吸水率隨淀粉泡沫顆粒添加量的增大而增大。加0.5份淀粉泡沫顆粒時(shí)，地聚物復(fù)合試樣吸水率為0.67%，加7.5份淀粉泡沫顆粒時(shí)復(fù)合材料的吸水率為20.5%，吸水率增加了29%。其主要原因是，淀粉是極性天然高分子材料，水分子亦是極性分子，當(dāng)?shù)矸塾龅剿臅r(shí)候，容易吸水，因此我們利用二甲基硅油對(duì)淀粉泡沫顆粒進(jìn)行改性，使得淀粉泡沫顆粒的外表面生成一層非極性的油膜，以降低淀粉泡沫顆粒的吸水性。

圖5 復(fù)合材料的吸水率和淀粉泡沫顆粒用量的關(guān)系

3 結(jié)論

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：以偏高嶺土和水玻璃為主要原料制備的地聚物作為基體材料，添加經(jīng)二甲基硅油表面改性的淀粉泡沫顆粒，制備了一種新型外墻保溫隔熱材料。制備得到的復(fù)合材料表觀密度在1.01~1.78g·cm-3之間，抗彎強(qiáng)度在1.35~2.81MPa之間，吸水率在0.67%~20.5%之間。該材料具有良好的力學(xué)性能和保溫隔熱性能，使用淀粉泡沫代替聚苯乙烯泡沫作為填充材料，可以克服不可降解、易燃、燃燒時(shí)發(fā)煙量大、燃燒產(chǎn)物毒性高等缺點(diǎn)，是一種具有良好應(yīng)用前景的新型綠色保溫隔熱材料。

[1] 關(guān)于發(fā)布?jí)w保溫系統(tǒng)與墻體材料推廣應(yīng)用和限制、禁止使用技術(shù)的公告[J].建筑節(jié)能，2012(5)：1-9.

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Preparation of Geopolymer-based Thermal Insulation Materials Filled with Starch Foam Particles and its Properties Study

YAO Shun-zhen1, LIN Shi-ming1, TAN Deng-feng2, PIN Wei2, MO Xian-zhong1
(1.College of Chemistry and Materials Science, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China; 2.College of Civil Engineering and Architecture, Nanning University, Nanning 530001, China)

Geopolymer-based thermal insulation material was prepared applied kaolin clay, sodium silicate and starch foam particles as raw materials. The apparent density, folding strength, water absorption and thermal insulation of the thermal insulation materials were investigated. The experimental results showed that the apparent density was 1.01~1.78g/cm3, the folding strength was 2.81~1.35MPa, and the water absorption was 0.67%~20.5%. Furthermore, the thermal conductivity coeffcient of the composites was decreased from 1.99W/m.K to 1.46W/m.K when the addition of starch foam was 7.5 % compared to pure geopolymer.

geopolymer; starch foam particles; thermal insulation materials

TU 55+1.3

A

1671-9905(2016)04-0010-04

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃課題（桂科能14123006-27）；南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及南寧市邕寧區(qū)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目

莫羨忠（1959-），男，壯族，博士，教授，從事高分子材料研究工作

2016-02-23