非金屬礦物材料在無機(jī)保溫材料中的應(yīng)用及進(jìn)展

張紅林，王翠翠，楊 輝，南 瑤，王 鴿

（1.咸陽非金屬礦研究設(shè)計院有限公司，陜西 咸陽 712021；2.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

近年來，能源問題日益嚴(yán)峻，已成為世界各國關(guān)注的焦點。建筑能耗在社會總能源消耗中占比約為30%～40%，絕大部分是因為采暖和空調(diào)消耗的能源。因此，研究建筑保溫隔熱材料，實現(xiàn)建筑節(jié)能減排具有重要意義[1]。

保溫材料通常為多孔材料，具有較高的隔熱性能，通過降低導(dǎo)熱系數(shù)來實現(xiàn)保溫隔熱，一般封閉氣孔越多，材料的保溫隔熱性能越好。目前，市場現(xiàn)有很多保溫材料存在保溫隔熱、耐久、阻燃、施工等性能無法協(xié)調(diào)的問題，不能滿足建筑保溫的要求，因此，尋求與研究一種能大大提高保溫材料隔熱性能的新型無機(jī)材料仍是目前建筑保溫材料的重要課題。

1 保溫材料的分類

保溫材料有按材質(zhì)、使用溫度、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等多種分類方式。通常按材質(zhì)將保溫材料分為有機(jī)保溫材料、無機(jī)保溫材料、復(fù)合保溫材料三類。其中以聚苯顆粒、發(fā)泡聚苯板(EPS)、擠塑聚苯板(XPS)、酚醛泡沫等為代表的有機(jī)保溫材料因保溫性能好、吸水率低、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢占據(jù)了較大的市場份額(85%以上)[2-5]，而巖棉板、?；⒅樯皾{、發(fā)泡水泥、泡沫玻璃、發(fā)泡陶瓷等無機(jī)保溫材料和膠粉聚苯顆粒保溫漿料、玻化微珠EPS板、顆粒復(fù)合漿料等復(fù)合保溫材料由于保溫、吸水、施工等性能缺陷和生產(chǎn)成本高等因素，實際應(yīng)用量較低。

2 保溫材料的選材要求

保溫材料是一種減緩由傳導(dǎo)、對流、輻射產(chǎn)生的熱流速率的材料，導(dǎo)熱系數(shù)是其最重要的性能指標(biāo)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，材料保溫性能越好[4]。僅就一般的居民建筑外墻的保溫而言，使用保溫圍護(hù)材料后，比沒有使用保溫材料的建筑節(jié)能40%～70%，因此開發(fā)和應(yīng)用高效的保溫絕熱材料是建筑節(jié)能的有效措施。

保溫就是要最大限度地阻抗熱流的傳遞，因此要求絕熱材料必須具有大的熱阻和小的導(dǎo)熱系數(shù)。從材料的組成上看，一般有機(jī)高分子的導(dǎo)熱系數(shù)都小于無機(jī)材料；非金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小于金屬材料；氣態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)小于液態(tài)物質(zhì)；液態(tài)物質(zhì)小于固體。

從材料的結(jié)構(gòu)上看，當(dāng)材料的表觀密度降低、孔隙率增大、孔隙為大量封閉微小孔時，材料的導(dǎo)熱系數(shù)會比較小。如泡沫塑料制品，要滿足保溫絕熱材料的要求，其最佳的表觀密度為16～40kg/m3。由于孔隙的存在，材料在潮濕環(huán)境下易吸水，而水的導(dǎo)熱系數(shù)(0.581 5W/m/K)比靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(0.023 3W/m/K)要大很多，因此，當(dāng)環(huán)境濕度增大時，材料的平衡含水率增大，導(dǎo)熱系數(shù)將會降低。因此作為保溫絕熱材料，其自身的吸水率要盡量低，必要時需對材料進(jìn)行憎水處理或用防水材料包覆。另外，保溫絕熱材料還必須能抵抗一定的沖擊荷載，具有與使用環(huán)境相一致的力學(xué)強(qiáng)度，粘結(jié)性能要好，收縮率小，具有與環(huán)境相適應(yīng)的耐久性。

3 非金屬礦物材料在無機(jī)保溫材料中的應(yīng)用

隨著有機(jī)保溫材料易燃燒、易老化、安全性差等問題的凸顯，無機(jī)保溫材料作為一種難燃材料便成為保溫行業(yè)發(fā)展的重要方向，如何降低無機(jī)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)及吸水率也成為了科研工作的重點，非金屬礦物材料作為無機(jī)保溫材料的主要原料，也備受關(guān)注。下面以幾種不同類型非金屬礦物材料為例，介紹非金屬礦物材料在無機(jī)保溫材料中的應(yīng)用。

3.1 礦物棉

礦物棉是巖(礦)棉和玻璃棉的統(tǒng)稱，是一種纖維狀非金屬礦物材料，具有質(zhì)輕、熱導(dǎo)率低(導(dǎo)熱系數(shù)為0.034W/m/K)、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定、難燃等特性。礦物棉是由玄武巖、輝綠巖、高爐礦渣或玻璃高溫熔融，離心甩絲而制成，生產(chǎn)成本相對較高[3，6]。礦物棉在國外建筑保溫中應(yīng)用較多，生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)相對較成熟，在建筑工程上可用于外墻體、屋面、門窗等，也可用于熱力設(shè)備及管道的保溫。為解決礦物棉吸水率高的缺陷，滿足使用要求，礦物棉多以復(fù)合保溫材料的形式應(yīng)用。陳攻等[7]以巖棉、鋁箔、憎水劑為原料，經(jīng)處理、復(fù)合成型、干燥等制備得到巖棉復(fù)合保溫材料，使保溫材料的熱輻射損失降低，熱效率提高。萬橋[8]以巖棉保溫板、冷拔低碳鋼絲、聚合物砂漿等材料設(shè)計了熱工性能良好的巖棉復(fù)合型保溫模板，能夠滿足建筑保溫工程的要求。從當(dāng)前礦物棉研究和應(yīng)用的趨勢來看，復(fù)合是其發(fā)展的必由之路。

3.2 膨脹珍珠巖

膨脹珍珠巖是一種多孔非金屬礦物，是由珍珠巖在高溫條件下膨脹而成，具有無毒無味、保溫、抗腐蝕、耐高溫、難燃等特性，在建筑等多個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。膨脹珍珠巖在建筑領(lǐng)域直接填充涂抹在墻體或屋頂，或以板材形式裝配在墻面，從而對建筑物起到隔熱保溫的作用[9]。隨著研究工作的深入，膨脹珍珠巖制品也發(fā)展出了許多種類，如水玻璃膨脹珍珠巖制品、水泥膨脹珍珠巖制品、磷酸鹽膨脹珍珠巖制品、瀝青膨脹珍珠巖制品、膨脹珍珠巖泡沫玻璃等。馮武威等[10]利用礦物聚合法，以膨脹珍珠巖為主要原料，以富鉀鋁硅酸鹽巖的焙燒熟料作配料，摻以少量的煅燒高嶺石或粉煤灰制備出了表觀密度、抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量含水率、導(dǎo)熱系數(shù)等滿足標(biāo)準(zhǔn)的新型膨脹珍珠巖保溫材料。李剛等[11]以膨脹珍珠巖和碎玻璃為主要原料制備得到了隔熱保溫性能較好的膨脹珍珠巖泡沫玻璃。膨脹珍珠巖具有良好的保溫性能，但其較高的吸水率和粉化率又制約著其保溫性能的發(fā)揮，因此要發(fā)揮好其特性，還需要做好憎水改性及膠凝材料的研究和開發(fā)。

3.3 ?；⒅?/h3>

?；⒅槭蔷哂斜砻娌；瘜拥亩嗫追墙饘俚V物材料，是利用松脂巖型的珍珠巖高溫加工而成，與膨脹珍珠巖相比，玻化微珠具有內(nèi)部孔隙的同時，表面還有?；瘜?，因此克服了膨脹珍珠巖吸水率大、易粉化、在料漿攪拌中體積收縮率大的缺陷，因此被用作保溫砂漿的重要材料之一[12]。?；⒅楸厣皾{是一種適用于建筑內(nèi)外墻粉刷的新型保溫節(jié)能砂漿材料，是以?；⒅轭w粒和膠凝材料等共同構(gòu)成的干粉砂漿，具有防火防凍、節(jié)能利廢、耐老化、價格低廉和保溫隔熱等特點[13]。李小龍等[14]以?；⒅楹驼渲閹r為輕質(zhì)骨料，水泥和粉煤灰為粘結(jié)劑以及適量的VAE乳液和纖維，制備出保溫性能和施工性能較優(yōu)的玻化微珠保溫板。雖然玻化微珠比膨脹珍珠巖部分性能有優(yōu)化，但目前其加工工藝還不夠完善，?；⒅榈牟；蔬€達(dá)不到要求，還需要進(jìn)一步改進(jìn)提升。

3.4 海泡石

海泡石是一種纖維狀多孔非金屬礦物材料，具有極大的比表面積(理論值900m2/g)，由于海泡石的簇狀纖維中存在大量的納米級微孔和中孔孔道，因此海泡石具有高效的隔熱作用，其次海泡石還具有可塑性強(qiáng)、粘結(jié)性能好、不燃、耐久性好、無毒無害等特性。利用海泡石耐高溫、隔熱、濕時柔軟干時堅硬的特點，以磷酸鹽型粘結(jié)劑為膠結(jié)材料，復(fù)合其他隔熱填充材料，制備出磷酸鹽高溫粘結(jié)型保溫涂料，具有優(yōu)異的保溫性能[15]。李美棟等[16]以膨脹珍珠巖、海泡石、纖維、纖維素、丙烯酸等材料，復(fù)合制備出多功能外墻保溫涂料，具有較好的保溫性能及應(yīng)用強(qiáng)度。東華大學(xué)的杜紅波[17]以海泡石、丙烯酸、膨脹蛭石等為原料，研制出一種復(fù)合型環(huán)保隔熱涂料，熱阻隔性和熱反射性都具有一定優(yōu)勢。由此可以看出，海泡石是一種很好的保溫基料，與其他輔料合理配合即可得到性能較佳的保溫涂料，因此，未來應(yīng)用前景較為廣闊[18]。

3.5 膨脹蛭石

膨脹蛭石是一種層狀多孔非金屬礦物材料，是由蛭石經(jīng)過高溫焙燒而制成的，具有良好的隔熱、耐火、耐凍、吸附等性能。與其他材料混合加工后可以制備出性能更優(yōu)良的保溫隔熱材料。膨脹蛭石在建筑業(yè)中應(yīng)用的主要制品有膨脹蛭石保溫干粉砂漿、蛭石混凝土、膨脹蛭石灰漿、水玻璃膨脹蛭石制品、蛭石保溫隔音板、瀝青膨脹蛭石制品等，對建筑物的保溫隔熱起到顯著的作用[18-19]。馬玲等[20]以膨脹蛭石為輕質(zhì)骨料，與?；⒅閺?fù)合配制成復(fù)合無機(jī)保溫砂漿，使保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、軟化系數(shù)等指標(biāo)得到優(yōu)化。習(xí)永廣等[21]采用膨脹蛭石、石膏復(fù)合制備得到無機(jī)保溫板，通過研究指出膨脹蛭石的片徑對保溫材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度有著較大影響，同時，不同的膨脹方式，也會影響到膨脹蛭石的應(yīng)用性能。目前，我國膨脹蛭石的生產(chǎn)工藝還較為落后，為更好的發(fā)揮膨脹蛭石的優(yōu)越性能，還需加強(qiáng)制備工藝的研究和優(yōu)化。

3.6 硅藻土

硅藻土是一種特殊多孔性構(gòu)造的非金屬礦，具有多孔、質(zhì)輕、易吸水、滲透性強(qiáng)的特性，用來制備輕質(zhì)保溫建筑材料具有較好的發(fā)展前景。梁興榮等[22]以硅藻土、水泥為原料，流漿成型后經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)獲得了硅酸鈣板，結(jié)果表明通過改變硅藻土的加入量可以制備出多類別符合標(biāo)準(zhǔn)的硅酸鈣板產(chǎn)品，尤其可以用來制備低容重(密度＜0.95g/cm3)、低導(dǎo)熱率(導(dǎo)熱系數(shù)＜0.16W/m/K)的產(chǎn)品。李國昌等[23]通過對硅藻土進(jìn)行酸溶焙燒擴(kuò)容處理后，硅藻土比表面積增加，孔體積加大，容重減小，制成保溫材料后，材料結(jié)構(gòu)中封閉氣孔發(fā)育，孔隙率大，熱阻效應(yīng)明顯，從而降低了制品導(dǎo)熱系數(shù)，改善了制品的保溫性能。姜霆婧[24]以硅藻土、白云石、粉煤灰等為原料，燒結(jié)制備低導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的硅藻土多孔保溫材料。目前，與先進(jìn)保溫材料相比，硅藻土保溫材料產(chǎn)品的保溫性能還比較低下，未來還需在配方、成型、制備技術(shù)方面進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。其次，與其他高性能材料復(fù)合也是發(fā)揮硅藻土特性的有效途徑[25]。

3.7 納米氣凝膠

納米氣凝膠是一種具有獨特納米多孔結(jié)構(gòu)的非金屬礦物材料，其孔隙率和比表面積極高，熱導(dǎo)率和密度極低[26]，同時，具有不燃或阻燃性能。納米氣凝膠在高效保溫隔熱領(lǐng)域具有極大應(yīng)用前景，如玻璃表面氣凝膠薄膜，納米氣凝膠窗，納米氣凝膠隔熱復(fù)合材料，太陽能集熱器中的透明隔熱材料，冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，航天航空器上的隔熱層等[27]。雖然納米氣凝膠具有優(yōu)異的保溫隔熱性能，但其制備技術(shù)難點及高昂的生產(chǎn)成本，使納米氣凝膠還不能實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，因此，要拓展納米氣凝膠的應(yīng)用，還需進(jìn)一步解決制備技術(shù)，降低生產(chǎn)成本。

4 無機(jī)保溫材料發(fā)展建議

根據(jù)我國無機(jī)保溫材料生產(chǎn)現(xiàn)狀及應(yīng)用要求，結(jié)合所采用原材料特性，無機(jī)保溫材料發(fā)展有以下建議。

(1) 提高無機(jī)保溫材料制備技術(shù)及降低生產(chǎn)成本。目前，我國無機(jī)保溫材料雖有一定的發(fā)展和提高，但產(chǎn)品性能還存在不足，如吸水率高、容重大、強(qiáng)度低、導(dǎo)熱系數(shù)高等，還需要從原材料、配方優(yōu)化入手，提高生產(chǎn)裝備及自動化水平，規(guī)范生產(chǎn)過程，從而使產(chǎn)品性能及成本得以優(yōu)化，增強(qiáng)無機(jī)保溫材料的市場占有能力[28]。

(2) 實現(xiàn)無機(jī)保溫材料生產(chǎn)過程綠色節(jié)能化。環(huán)保問題是國家在生產(chǎn)管理過程中的重中之重，礦山、工業(yè)等廢棄物已成為困擾企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個難題，因此如何實現(xiàn)無機(jī)保溫材料生產(chǎn)、使用過程的廢料得到資源化循環(huán)利用，也將是無機(jī)保溫材料行業(yè)需要研究解決的問題之一。由此可以看出，綠色環(huán)保，能夠資源化二次利用的無機(jī)保溫材料將具有較大的發(fā)展優(yōu)勢。

5 結(jié)語

隨著我國節(jié)能工作的推進(jìn)，保溫材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，其產(chǎn)品也呈現(xiàn)多元化、功能全面化趨勢，作為節(jié)能工作不可或缺的一環(huán)，節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與材料的研發(fā)革新密不可分。非金屬礦物材料具有耐高溫，低導(dǎo)熱、難燃的優(yōu)勢，通過其在保溫材料中的應(yīng)用研究，將不斷助推高性能無機(jī)保溫材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大。