原料粒徑對泡沫玻璃導熱系數的影響

殷海榮， 王 飛， 白建光， 陳 平， 張 森， 田一沖

(陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

泡沫玻璃是一類新型建筑材料，具有質輕、強度高、吸水率低和導熱系數低等優(yōu)點[1-3].其中，導熱系數是衡量泡沫玻璃的一個關鍵性能指標，近年來對泡沫玻璃導熱系數研究不斷增多.

泡沫玻璃制備方法主要包括一步法和兩步法[4,5].一步法是采用多成份原料混料直接發(fā)泡制備，制品氣孔尺寸分布較寬、氣孔形狀不規(guī)則，連通孔也較多[2]；兩步法則直接將多成份原料混料后進行高溫熔制粉碎成為粉料，粉料再加入發(fā)泡劑高溫發(fā)泡得到泡沫玻璃.與一步法比較，兩步法泡沫玻璃制品氣孔尺寸分布較窄、氣孔形狀較為規(guī)則、連通孔數量較少.但是兩步法制備泡沫玻璃的原料粒徑分布較寬，布料時容易造成樣品不同部位粒徑存在較大差異，導致最終樣品不同部位結構差異和導熱系數差異也很大，影響泡沫玻璃使用.因而研究兩步法原料粒徑對泡沫玻璃導熱系數的影響意義重大.

1 實驗部分

1.1 原料和實驗方法

采用高溫熔制料為主要原料，SiC粉末為發(fā)泡劑，熔制料主要化學成份為70.38%SiO2-2.74%Al2O3-1.84%CaO-1.43%MgO-10.03%Na2O-3.80%K2O-0.11%Fe2O3-5.46%SrO-2.00%BaO-0.20%ZnO-1.13%ZrO2-0.57%PbO.熔制料加入1%SiC粉末，干法混料12 h后加入質量分數5%PVB水溶液進行造粒；隨后采用半干壓成型進行成型，得到尺寸50×50×30 mm3坯體；120 ℃干燥12 h后進行高溫發(fā)泡，發(fā)泡溫度880 ℃，保溫時間20 min；隨后降溫至600 ℃保溫4 h后采用隨爐冷卻降溫方式.分別采用平均粒徑0.043 mm、0.050 mm、0.069 mm和0.083 mm的原料制備泡沫玻璃，研究原料粒徑對泡沫玻璃導熱系數影響.

1.2 性能測試和結構表征

1.2.1 氣孔率和吸水率

氣孔率采用以下公式：

(1)

式(1)中：ε-氣孔率(%)，dp-混合粉體密度(g/cm3)，采用氦比重瓶法測量；db-試樣表觀密度(g/cm3)，采用質量與體積比來計算.

吸水率(W)采用以下公式：

(2)

式(2)中：W-吸水率(%)；m1-干重(g)；m2-濕重(g).發(fā)泡樣品切割成40×40×15 mm3塊狀，干燥后稱量得到干重(m1)；隨后置于水中浸泡24 h，取出試樣，用濕毛巾拭去表面水分，稱重后得到濕重(m2).

吸水率與氣孔的連通性有關，一般來說連通孔數量越多，吸水率越大.因此本文用吸水率來表征連通孔數量.

1.2.2 氣孔尺寸和孔徑分布

采用數碼相機對泡沫玻璃切割后氣孔結構進行拍照，隨后采用軟件Image Pro Plus對氣孔尺寸和孔徑分布進行測量.

1.2.3 導熱系數

導熱系數采用DRE-III導熱系數測定儀(湘潭湘儀儀器有限公司)進行測試，圖1為瞬態(tài)平面熱源法導熱儀實驗裝置示圖.樣品尺寸為40×40×15 mm3，加熱功率為0.1 w，測試時間為160 s，探頭阻值為16.41 Ω(直徑15 mm).

圖1 瞬態(tài)平面熱源法導熱儀實驗裝置示圖

1.2.4 微觀氣孔結構

采用Quanta 600F掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)對樣品的微觀氣孔結構進行分析，測試電壓為3 kV.

2 結果與討論

2.1 泡沫玻璃氣孔結構

圖2為泡沫玻璃氣孔率和吸水率隨著原料粒徑變化關系圖.由圖2可知，氣孔率和吸水率隨著原料粒徑的增大而減小，且變化關系非線性，原料粒徑從0.043 mm增加到0.050 mm時，氣孔率和吸水率的變化幅度較大，是因為原料粒徑較小時，氣泡生長過程中會出現大量連通孔[6].說明隨著原料粒徑增加，泡沫玻璃氣孔結構內部連通孔數量減少.

圖2 泡沫玻璃原料粒徑與 氣孔率、吸水率關系圖

圖3為平均粒徑0.043 mm、0.050 mm、0.069 mm和0.083 mm發(fā)泡樣品切割后照片((a)、(d)、(g)、(j))、SEM圖像((b)、(e)、(h)、(k))和氣孔尺寸分布((c)、(f)、(i)、(l)).由圖3可知，當原料平均粒徑為0.043 mm時，氣孔形狀為不規(guī)則多邊形形狀，此時平均氣孔尺寸為3.26 mm，氣孔分布范圍從1.07 mm到7.60 mm，分布比較寬；隨著原料粒徑增加，氣孔尺寸減小(圖3(a)、(d)、(g)和(j))，氣孔形狀由多邊形趨近于球形(圖3(b)、(e)、(h)、(k))，氣孔尺寸分布向小尺寸偏移，分布范圍變窄(圖3(c)、(f)、(i)、(l))；當原料粒徑為0.083 mm時，氣孔形狀基本為球形，此時平均氣孔尺寸為2.48 mm，氣孔分布范圍從1.10 mm到3.00 mm，分布逐漸變窄.

(a)0.043 mm樣品切割后照片 (b)0.043 mm樣品SEM圖像 (c)0.043mm樣品氣孔尺寸分布圖

(d)0.050 mm樣品切割后照片 (e)0.050 mm樣品SEM圖像 (f)0.050 mm樣品氣孔尺寸分布圖

(g)0.069 mm樣品切割后照片 (h)0.069 mm樣品SEM圖像 (i)0.069mm樣品氣孔尺寸分布圖

(j)0.083 mm樣品切割后照片 (k)0.083 mm樣品SEM圖像 (l)0.083mm樣品氣孔尺寸分布圖圖3 平均粒徑為0.043 mm、0.050 mm、 0.069 mm和0.083 mm發(fā)泡樣品切割后 照片、SEM圖像及氣孔尺寸分布圖

2.2 泡沫玻璃導熱系數

影響泡沫玻璃導熱系數的因素很多，例如氣孔率、連通孔、氣孔尺寸和氣孔形狀等[7-10].

2.2.1 氣孔率對導熱系數的影響

對于閉氣孔泡沫玻璃來說，導熱系數主要與氣孔率變化有關，Maxwell[11]研究了氣孔作為分散相存在于連續(xù)相情況下多孔材料氣孔率與導熱系數關系，建立了Maxwell-Eucken模型的導熱系數公式：

(3)

式(3)中：K為多孔材料有效導熱系數，Ks為固相導熱系數(W·m-1·k-1)，Kf為氣體導熱系數(W·m-1·k-1)，ε為多孔材料氣孔率(%).因而氣孔率的降低將導致導熱系數呈增加趨勢.

圖4為不同粒徑原料制備的泡沫玻璃的氣孔率根據Maxwell-Eucken模型計算的導熱系數值和泡沫玻璃樣品導熱系數測試值隨著原料粒徑變化關系圖.由圖4可知，隨著原料粒徑的增加(氣孔率減小)，Maxwell-Eucken模型導熱系數計算值呈增加趨勢，氣孔率減小幅度越大，導熱系數增加幅度也越大；導熱系數測試值變化趨勢和上述模型計算值變化趨勢基本相同，呈增加趨勢，當原料粒徑為0.083 mm(氣孔率88.58%)時，導熱系數測試值有所減小.

對比圖4兩條曲線可以看出，Maxwell-Eucken模型導熱系數計算值和實際測試值存在差距，并且隨著原料粒徑的減小(氣孔率增加)，差值越來越大，當原料粒徑為0.043 mm(氣孔率90.21%)時，差值最大，達到了0.02 W·m-1·k-1.說明氣孔率對泡沫玻璃導熱系數的影響較大.

圖4 泡沫玻璃導熱系數Maxwell-Eucken 模型計算值和測試值隨著粒徑(氣孔率) 變化關系圖

2.2.2 連通孔對導熱系數影響

Maxwell-Eucken模型主要適用于封閉氣孔的多孔材料，對于泡沫玻璃而言，當氣孔率比較高時，連通孔數量逐漸增加，氣體對流傳熱增多.吸水率測量值高低可以在一定程度上反映連通孔數量[12]，因而連通孔也是影響泡沫玻璃導熱系數的一個重要因素.

姚曉莉[13]對加氣混凝土導熱系數研究時發(fā)現，導熱系數是氣孔率與吸水率的共同作用.在此基礎上建立了導熱系數與氣孔率和吸水率關系模型的導熱系數公式，公式如下所示：

(4)

式(4)中：K為多孔材料有效導熱系數(W·m-1·k-1)，ε為多孔材料氣孔率(%),Φ為吸水率(%).

圖5為根據公式(4)導熱系數計算值和泡沫玻璃樣品導熱系數測試值隨原料粒徑變化關系圖.由圖5可知，隨著原料粒徑的增加，公式(4)根據對應氣孔率和吸水率測試值(如圖2所示)計算的導熱系數值也呈增加趨勢，且比測試值大；兩者之間的差值由0.008 W·m-1·k-1增加到0.015 W·m-1·k-1.

對于泡沫玻璃來說，氣孔率的減小在一定程度上意味著連通孔數量降低，吸水率也隨之降低(如圖2所示)，導熱系數增加.存在差值的主要原因是上述公式是建立在泡沫玻璃氣孔全部連通情況下，實際上泡沫玻璃氣孔一般包含封閉氣孔和連通氣孔，氣孔率越大，連通氣孔數量越多.連通孔的出現將導致氣孔間氣體流動傳熱和氣相與固相之間的對流換熱增加[14]，導熱系數增加.因而圖5中隨著原料粒徑減小(連通孔數量增加)，導熱系數計算值和測試值差值減小.

圖5 泡沫玻璃公式(4)計算導熱系數值 和測試值隨原料粒徑變化關系圖

2.2.3 氣孔形狀和尺寸對導熱系數的影響

氣孔形狀也是影響導熱系數的一個重要參數，一般的模型大多建立在球形氣孔基礎上，實際中泡沫玻璃氣孔多為不規(guī)則的多邊形(如圖3所示).另外多孔材料中氣孔尺寸也是影響導熱系數的一個重要因素.Hasselman等[15]研究了多孔材料球形氣孔尺寸對多孔材料導熱性能的影響，建立了Hasselman模型.彭歡[16]在王家俊[17]的研究基礎上，同時考慮多孔材料氣孔形狀和氣孔尺寸對導熱系數的影響，提出了新的模型，建立如下導熱系數計算公式：

(5)

式(5)中：K為多孔材料有效導熱系數，Ks為固相導熱系數(W·m-1·k-1)，Kf為氣體導熱系數(W·m-1·k-1)，ε為多孔材料氣孔率(%).

圖6為根據公式(5)導熱系數計算值和樣品測試值隨原料粒徑變化的關系圖.由圖6和公式(5)可知，這種模型實際上是建立在氣孔形狀和氣孔尺寸基礎上導熱系數與氣孔率之間的一個新經驗公式.隨著原料粒徑的增加(氣孔率減小)，導熱系數計算值也隨之增加，計算值與測試值同樣存在較大差距，并且差值隨著原料粒徑增加(氣孔率減小)，差值由0.065 W·m-1·k-1減小到0.057 W·m-1·k-1.

由公式(5)可知，氣孔率增加意味著導熱系數增加.球形氣孔能夠導致熱輻射和流體與固體骨架之間對流換熱的減少[14]，因而球形氣孔數量增加使得導熱系數減小，從圖3可以看出來，球形氣孔數量隨著原料粒徑增加而增加，因而導熱系數計算值和測試值的差值隨著原料粒徑增加而減小.

圖6 泡沫玻璃公式(5)計算的導熱系數值 和樣品測試值隨原料粒徑變化關系圖

3 結論

(1)隨著原料粒徑增加，氣孔率和吸水率減小，氣孔尺寸減小，且形狀由多邊形趨于球形；

(2)對比導熱系數Maxwell-Eucken模型可知，氣孔率對導熱系數影響居主導地位，導熱系數隨著氣孔率升高呈增加趨勢，模型計算值和實際測試值之間存在差距，差值隨著氣孔率降低而降低；

(3)根據氣孔率與吸水率對導熱系數影響模型發(fā)現連通孔及其數量對導熱系數影響也較大，連通孔的出現將導致氣孔間氣體流動傳熱和氣相與固相之間的對流換熱增加，導熱系數增加；

(4)根據氣孔尺寸和形狀對導熱系數影響的新模型，球形氣孔數量隨著原料粒徑增加而增加，因而導熱系數計算值和測試值的差值隨著原料粒徑增加而減小.