高強(qiáng)疏水硅酸鈉保溫材料的制備

朱 麗，周 旋，張 華，金 江

（南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009）

高強(qiáng)疏水硅酸鈉保溫材料的制備

朱 麗，周 旋，張 華，金 江

（南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009）

以硅酸鈉水溶液為主要原料，無水碳酸鈉和疏水劑為添加劑，制備高強(qiáng)疏水發(fā)泡材料。通過熱重-差式掃描量熱分析（TG-DSC）判斷硅酸鈉水溶液的質(zhì)量損失和吸熱溫度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定發(fā)泡溫度。無水碳酸鈉的加入改變了混合溶液的黏度，從而改善了發(fā)泡材料的機(jī)械強(qiáng)度，在碳酸鈉用量為4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度由0.45 MPa提高到1.94 MPa，抗折強(qiáng)度由0.12 MPa提高到1.52 MPa。有機(jī)硅憎水劑的加入改變了發(fā)泡材料的表面性能，提高了發(fā)泡材料的疏水性，材料的吸水率由50.6%降低到5%，接觸角由0°提高到140°，發(fā)泡材料由親水性變?yōu)槭杷浴?/p>

保溫材料；硅酸鈉；機(jī)械強(qiáng)度；疏水

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，房屋建筑規(guī)模逐年增大，建筑能耗也越來越大，采用建筑保溫材料是降低建筑能耗的有效方法之一。有機(jī)保溫材料存在有毒且易燃等缺點(diǎn)，使得無機(jī)保溫材料得到了廣泛研究［1］。目前市場(chǎng)上常用的無機(jī)保溫材料有巖棉、玻璃棉、膨脹珍珠巖板、泡沫玻璃、發(fā)泡水泥和發(fā)泡混凝土等。然而這些保溫材料存在生產(chǎn)過程復(fù)雜、燒結(jié)溫度高、機(jī)械強(qiáng)度低、吸水率高等缺點(diǎn)，限制了它們的應(yīng)用。硅酸鈉水溶液俗稱水玻璃，既是黏結(jié)劑又是一種綠色發(fā)泡劑。但是純水玻璃發(fā)泡材料的強(qiáng)度很低，不能滿足使用要求，且水玻璃發(fā)泡材料具有很強(qiáng)的吸水性，吸水后其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)快速增大。Li等［2-3］通過添加粉煤灰、硼酸等將發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度由0.44 MPa提高到0.70 MPa，但強(qiáng)度還是不夠大。Ul Haq等［4］通過添加底灰將保溫磚的強(qiáng)度提高到3.55 MPa，但是吸水率較高的問題并沒有解決。針對(duì)以上問題，筆者以水玻璃為原料制備無機(jī)發(fā)泡保溫材料，碳酸鈉和疏水劑分別用于提高發(fā)泡材料的強(qiáng)度和降低材料的吸水率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 保溫材料的制備

以水玻璃（工業(yè)級(jí)）為原材料，無水碳酸鈉（分析純）和有機(jī)硅憎水劑（瓦克BS1042）為添加劑。先將碳酸鈉研磨過篩加入水玻璃中，用磁力攪拌器邊攪拌邊添加，直至碳酸鈉完全溶解，然后再按比例加入有機(jī)硅憎水劑并混合均勻。將混合溶液倒入模具中，放入鼓風(fēng)干燥箱中加熱至發(fā)泡完全時(shí)取出。將發(fā)泡樣品脫模并加工成所需尺寸（25 mm×25 mm×25 mm和 30 mm×15 mm×15 mm）。

1.2 保溫材料的性能測(cè)試

用CMT5254型萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量樣品的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。用LVDV-Ⅱ+Pro數(shù)顯黏度計(jì)測(cè)量混合溶液的黏度。用JC2000CS接觸角測(cè)量儀測(cè)量樣品的接觸角。根據(jù)穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)定材料在200℃下的導(dǎo)熱系數(shù)。使用JSM-6510掃描電鏡（SEM）觀察樣品的微觀形貌。用STA449CTG-DSC同步熱分析儀分析樣品的質(zhì)量損失及樣品的吸熱峰和放熱峰。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡溫度的確定

水玻璃本身就是一種發(fā)泡劑，在一定溫度下可以發(fā)泡形成多孔材料，但是發(fā)泡溫度會(huì)對(duì)硅酸鈉保溫材料的性能產(chǎn)生一定的影響。隨著溫度升高，硅酸鈉溶液中的水分不斷蒸發(fā)，漿體黏度增加，一部分氣體逸出表面，一部分氣體未能逸出表面形成泡孔。溫度升高到一定值時(shí)，漿體表面開始固化，內(nèi)部氣體不斷生成，未能逸出的氣體使得漿體膨脹最終固化形成多孔材料。多孔材料內(nèi)部泡孔充滿空氣，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使得硅酸鈉發(fā)泡材料具有較好的保溫性能。

發(fā)泡溫度對(duì)材料的發(fā)泡倍數(shù)和表觀密度的影響見表1。由表1看出，隨著溫度升高，材料的發(fā)泡倍數(shù)先增大后逐漸平穩(wěn)，表觀密度先減小后平穩(wěn)。在220℃時(shí)，材料的發(fā)泡倍數(shù)最大達(dá)到4.03倍，表觀密度降至0.111 g/cm3；溫度繼續(xù)升高對(duì)材料的發(fā)泡倍數(shù)和表觀密度的影響不大。

表1 發(fā)泡溫度對(duì)材料的發(fā)泡倍數(shù)和表觀密度的影響

圖1 純水玻璃TG-DSC曲線

圖1為硅酸鈉溶液的TG-DSC曲線。由圖1可知，溫度從40℃升至150℃過程中，由于水分蒸發(fā)硅酸鈉樣品不斷出現(xiàn)質(zhì)量損失。隨著溫度升高硅酸鈉溶液中Si—OH脫水縮合形成Si—O—Si鍵，宏觀現(xiàn)象是漿體膨脹形成多孔。水分在蒸發(fā)的過程中會(huì)吸收大量的熱量，在80℃和123℃時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)熱吸收峰。溫度從40℃升高到220℃過程中，硅酸鈉溶液的質(zhì)量不斷減少，220℃時(shí)TG曲線不再改變，發(fā)泡過程基本完成。通過TG-DSC分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定硅酸鈉溶液的發(fā)泡溫度為220℃。

2.2 碳酸鈉用量對(duì)材料機(jī)械強(qiáng)度的影響

純硅酸鈉發(fā)泡材料的強(qiáng)度較低，不能滿足建筑保溫的使用要求。為提高其強(qiáng)度，可添加無水碳酸鈉至硅酸鈉溶液中。無水碳酸鈉的加入使得混合溶液的黏度逐漸增加（見表2）。黏度的增加主要是因?yàn)樘妓徕c與水發(fā)生反應(yīng)，在消耗水分的同時(shí)水玻璃的濃度變大，隨著碳酸鈉用量的增加水玻璃濃度逐漸增加，漿體黏度也同時(shí)變大。

表2 發(fā)泡樣品的組成及混合漿體的黏度

硅酸鈉發(fā)泡材料內(nèi)部泡孔的生長和擴(kuò)散與混合溶液的黏度有較大的關(guān)系。一方面黏度增加會(huì)使得氣泡的上升速度和擴(kuò)散速度減緩、氣體逸出量變少，使得發(fā)泡材料的氣體含量變多；另一方面黏度增大會(huì)使得氣-液界面間薄膜的強(qiáng)度變大、泡孔尺寸變小、泡孔的破裂連通減少。但是混合溶液的黏度并不是越大越好，當(dāng)黏度達(dá)到一定值后泡孔生長困難、材料的發(fā)泡倍率降低、泡孔數(shù)量減少、材料密度變大、內(nèi)部氣體無法逸出表面使得部分氣孔又會(huì)連通。

圖2為不同碳酸鈉用量所得發(fā)泡材料的SEM照片。由圖2看出，純硅酸鈉發(fā)泡材料的泡孔體積較大且數(shù)量較少，最大泡孔直徑達(dá)2.5 mm。隨著碳酸鈉用量增加，材料內(nèi)部泡孔體積逐漸變小、泡孔數(shù)量變多。當(dāng)碳酸鈉用量為4%時(shí)，泡孔體積較小且泡孔分布較均勻，泡孔數(shù)量相對(duì)較多。當(dāng)碳酸鈉用量繼續(xù)增加時(shí)，部分泡孔開始連通出現(xiàn)溝壑狀大孔，連通大孔的出現(xiàn)將使材料在承受載荷時(shí)出現(xiàn)裂紋，影響材料的機(jī)械強(qiáng)度；另一方面氣孔連通形成大孔使得材料內(nèi)部泡孔數(shù)量減少、均勻性變差，其保溫性能也將變差。

圖2 不同碳酸鈉用量所得發(fā)泡材料SEM照片

圖3 碳酸鈉用量對(duì)材料機(jī)械強(qiáng)度和表觀密度的影響

圖3為不同碳酸鈉用量所得樣品的機(jī)械強(qiáng)度及表觀密度。由圖3可以看出，發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均隨碳酸鈉用量的增加先增大后減小。當(dāng)碳酸鈉用量為4%時(shí)，材料的機(jī)械強(qiáng)度最高，其抗壓強(qiáng)度由0.45 MPa提高到1.94 MPa，抗折強(qiáng)度由0.12 MPa提高到1.52 MPa。由圖3可以看出，當(dāng)碳酸鈉用量低于4%時(shí)，材料表觀密度的增幅較?。划?dāng)碳酸鈉用量大于4%以后，由于黏度較大，泡孔難以生長，材料的發(fā)泡倍率變小，表觀密度迅速增大，這與SEM照片相吻合。

2.3 碳酸鈉用量對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

對(duì)于發(fā)泡保溫材料，泡孔越多越均勻其保溫性能越好。圖4為碳酸鈉用量對(duì)發(fā)泡材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。從圖4看出，當(dāng)碳酸鈉用量由0增加至4%時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)從 0.082 2 W/（m·K）緩慢降低至0.078 7 W/（m·K）； 當(dāng)碳酸鈉用量由 4%增加至 6%時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)由 0.078 7 W/（m·K）迅速增加至0.138 6 W/（m·K）。這是因?yàn)?，碳酸鈉的加入使得漿體的黏度逐漸增大、泡孔體積變小、泡孔數(shù)量變多且分布更加均勻，使得材料的保溫性能得到一定程度的提升。但是，隨著黏度繼續(xù)增加，泡孔生長受到限制，生成的泡孔難以擴(kuò)散甚至連通，影響了材料的發(fā)泡倍率和均勻性，使得材料的導(dǎo)熱系數(shù)迅速增大。

圖4 碳酸鈉用量對(duì)發(fā)泡材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.4 憎水劑用量對(duì)材料疏水性能的影響

解決保溫材料的吸水問題是確保其保溫性能和使用壽命的前提。表3為碳酸鈉用量對(duì)發(fā)泡材料吸水率的影響。由表3看出，隨著碳酸鈉用量增加，材料的吸水率先減少后趨于平穩(wěn)。結(jié)合圖3及表3看出，當(dāng)樣品吸水后其抗壓強(qiáng)度明顯低于未吸水時(shí)的強(qiáng)度。發(fā)泡材料吸水不僅影響材料的強(qiáng)度而且對(duì)材料的保溫性能也將產(chǎn)生較大的影響。水的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.54 W/（m·K），是空氣導(dǎo)熱系數(shù) 0.024 W/（m·K）的23倍，當(dāng)發(fā)泡材料吸水后材料內(nèi)部充滿水分，其保溫性能受到極大的影響。碳酸鈉的加入提高了混合溶液的黏度、降低了氣孔的破裂連通率、減小了泡孔尺寸，使得材料的顯氣孔率降低、吸水率也相應(yīng)降低。當(dāng)碳酸鈉用量由0增加至4%時(shí)，材料的吸水率由50.6%降低到20.9%，繼續(xù)增加碳酸鈉用量對(duì)材料吸水率的影響較小，吸水率趨于穩(wěn)定。但材料仍表現(xiàn)出親水性，其接觸角為零（見圖5），發(fā)泡材料的疏水性能還需進(jìn)一步提升。

表3 碳酸鈉用量對(duì)發(fā)泡材料吸水率的影響

為提高材料的疏水性，在碳酸鈉用量為4%的混合溶液中分別外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的有機(jī)硅憎水劑，其主要成分是聚硅氧烷。憎水劑用量對(duì)材料吸水率和接觸角的影響見圖5。由圖5看出，隨著憎水劑用量增加材料的吸水率逐漸降低，當(dāng)憎水劑用量為1.0%時(shí)材料的吸水率最低，由20.9%降低到5%，之后繼續(xù)增加憎水劑用量對(duì)材料吸水率的影響較小。憎水劑的加入對(duì)材料的接觸角也產(chǎn)生了影響，隨著憎水劑用量增加材料的接觸角逐漸變大，在憎水劑用量為1.0%時(shí)材料的接觸角最大，由0°增加到140°并趨于穩(wěn)定，發(fā)泡材料由親水性變?yōu)槭杷浴Ｔ魉阅艿娘@著提高是由于發(fā)泡材料表面的羥基可與聚硅氧烷形成氫鍵或與聚硅氧烷末端的活潑基團(tuán)形成牢固的化學(xué)鍵，使有機(jī)硅防水劑與硅酸鈉發(fā)泡材料相結(jié)合，憎水性烴基向外排列，從而生成致密的憎水膜。由于這層憎水膜具有極低的表面張力，從而賦予材料良好的防水性能，使原先吸水的發(fā)泡材料具有疏水性［5-6］。對(duì)于疏水性材料而言，表面越粗糙疏水性越好，硅酸鈉發(fā)泡材料的表面凹凸不平，這對(duì)材料的憎水性也起到了一定的促進(jìn)作用。

圖5 憎水劑用量對(duì)發(fā)泡材料吸水率和接觸角的影響

3 結(jié)論

以水玻璃為主要原料，碳酸鈉和有機(jī)硅憎水劑為添加劑，制備出高強(qiáng)疏水的無機(jī)發(fā)泡保溫材料。碳酸鈉的加入改變了發(fā)泡漿體的黏度，使得材料的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率都發(fā)生了改變，但漿體黏度并不是越大越好。有機(jī)硅憎水劑可以改變材料的表面性能，只需加入少量就會(huì)對(duì)材料的疏水性產(chǎn)生較大的影響。通過實(shí)驗(yàn)分析確定了材料的最佳發(fā)泡溫度為220℃，最佳配方為碳酸鈉用量為4%、憎水劑用量為1%，在此條件下制得的發(fā)泡材料的抗壓強(qiáng)度為1.94 MPa、抗折強(qiáng)度為1.52 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為 0.078 7 W/（m·K）、吸水率降至 5%、接觸角提高至140°，發(fā)泡材料由親水性變?yōu)槭杷浴?/p>

［1］ 崔榮，徐澤豐，金江，等.水玻璃發(fā)泡保溫材料的制備［J］.無機(jī)鹽工業(yè)，2016，48（1）：21-24.

［2］ Li Y，Cheng X，Cao W，et al.Development of adiabatic foam using sodium silicate modified by boric acid［J］.J.Alloy.Compd.，2016，666：513-519.

［3］ Li Y，Cheng X，Cao W，et al.Fabrication of adiabatic foam at low temperature with sodium silicate as raw material［J］.Mater.Design，2015，88：1008-1014.

［4］ Ul Haq E，Kunjalukkal Padmanabhan S，Licciulli A.Microwave synthesis of thermal insulating foams from coal derived bottom ash［J］.Fuel Process.Technol.，2015，130：263-267.

［5］ 胡玲霞，趙瀟武，楊飛勇.憎水型水泥基填縫劑的配方研究［J］.化工新型材料，2012，40（9）：141-142.

［6］ 尹紀(jì)永，衣守志，陳琛，等.耐高溫墻體保溫材料的制備及性能研究［J］.建筑科學(xué)，2016，32（1）：58-61.

Preparation of sodium silicate thermal insulation material with high mechanical strength and hydrophobility

Zhu Li，Zhou Xuan，Zhang Hua，Jin Jiang
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China）

High mechanical strength and hydrophobic foam material has been prepared using sodium silicate solution as main material，anhydrous sodium carbonate and water repellent as additives.The mass loss and heat release of sodium silicate solution were determined by TG-DSC.The appropriate foaming temperature was determined by TG-DSC and experimental data.The mechanical strength of the foam sodium silicate was improved by adding anhydrous sodium carbonate.When the sodium carbonate content was 4%（mass fraction），the compressive strength and flexural strength increased from 0.45 MPa to 1.94 MPa and from 0.12 MPa to 1.52 MPa，respectively.The hydrophobility of the foam sample was achieved by adding water repellent agent.The water absorption of foam sample decreased from 50.6%to 5%and the contact angle increased from 0°to 140°.The foaming material was changed from hydrophilicity to hydrophobicity.

insulation material；sodium silicate；mechanical strength；hydrophobility

TQ127.2

A

1006-4990（2017）12-0038-04

2017-06-17

朱麗（1990— ），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o機(jī)保溫材料。

金江

聯(lián)系方式：jinjiang@njtech.edu.cn