聚丙烯纖維改良多孔保溫材料工程性能及微觀機(jī)理研究

王富奎

（河南六建建筑集團(tuán)有限公司，河南洛陽(yáng) 471000）

近年來，由于淡水河砂資源短缺、能源消耗速度過快等問題，我國(guó)提出了綠色建筑理念［1-2］。建筑保溫技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色建筑節(jié)能施工的重要手段，因此，研究并開發(fā)利用新型高效的建筑保溫材料對(duì)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

保溫材料具有節(jié)省資源、提高保溫性能的作用，因此在建筑工程墻體保溫和水利工程大壩壩面保溫中得到廣泛應(yīng)用。早期建筑通過采用有機(jī)保溫材料制備建筑保溫板，取得了良好的保溫效果。然而，由于有機(jī)保溫材料具有易燃性，應(yīng)用于建筑外墻中會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)事故［3-4］。因此，如何應(yīng)用無機(jī)保溫材料并有效改良其保溫能力，具有十分重要的研究意義。仝凡等［5］通過采用“低溫發(fā)泡熱處理+高溫去羥基化熱處理”特殊工藝制備了一種利用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合保溫材料，且指出玻璃纖維能夠增強(qiáng)復(fù)合材料的保溫性能。王琦琦等［6］利用低品位鉀長(zhǎng)石在高溫發(fā)泡法下制備了新型多孔保溫陶瓷，并指出燒結(jié)溫度對(duì)材料保溫性能的影響：當(dāng)燒結(jié)溫度為1250℃時(shí)，材料的綜合保溫性能最佳。

綜上所述，現(xiàn)有成果主要是關(guān)于有機(jī)保溫材料方面，而對(duì)無機(jī)保溫材料的研究仍較為落后，無機(jī)保溫材料的綜合性能仍具有很大的提升空間。本文利用聚丙烯纖維對(duì)較為常見的珍珠巖無機(jī)多孔保溫材料進(jìn)行了改良，基于室內(nèi)單軸壓縮、導(dǎo)熱性孔隙率等試驗(yàn)深入研究了新型無機(jī)多孔保溫材料的工程性能，得到了新型無機(jī)多孔保溫材料的最佳配比，并從宏、微觀角度分析了聚丙烯纖維改良珍珠巖無機(jī)多孔保溫材料的內(nèi)在機(jī)理。

1 材料制備和試驗(yàn)

1.1 新型保溫材料制備

本次研究擬通過摻入一定量的聚丙烯纖維改良膨脹珍珠巖多孔保溫材料的力學(xué)性能和保溫性能，制備新型多孔保溫材料的原料有聚丙烯纖維（表1）、膨脹珍珠巖（表2）、水玻璃（嘉興市嘉善博泰耐火保溫材料有限公司，氧化鈉含量8.54%，二氧化硅含量27.30%，模數(shù)3.3）、有機(jī)硅憎水劑、十二烷基磺酸鈉以及雙氧水（30%）。

表1 聚丙烯纖維物理參數(shù)Table1 Physical parameters of polypropylene fiber

表2 珍珠巖化學(xué)成分(%)Table 2 Mineral composition of perlite

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)試驗(yàn)成果，原膨脹珍珠巖多孔保溫材料的最佳配比為珍珠巖：水玻璃：十二烷基磺酸鈉：有機(jī)硅憎水劑：雙氧水=52.5%：43.5%：0.6%：0.8%：2.6%［7］?？紤]到聚丙烯纖維的性質(zhì)，其在多孔材料中與膨脹珍珠巖共同形成骨料作用，因此在本次試驗(yàn)中保持其他摻料成分含量不變且控制骨料（聚丙烯纖維+膨脹珍珠巖）含量不變，僅改變骨料中聚丙烯纖維和珍珠巖的相對(duì)含量，從而制備了摻聚丙烯纖維的新型珍珠巖多孔保溫材料，具體配比設(shè)計(jì)見表3。

表3 新型多孔保溫材料配比設(shè)計(jì)(%)Table 3 Proportioning design of new porous thermal insulation materials

采用常溫泡發(fā)法制備新型多孔保溫材，其具體制備流程包括：（1）研磨粉碎膨脹珍珠巖制備珍珠巖細(xì)粉末；（2）按照表3中配比設(shè)計(jì)，按順序分別加入珍珠巖粉末、聚丙烯纖維和水玻璃，勻速攪拌3min；(3)按照表3中配比設(shè)計(jì)，再加入有機(jī)硅憎水劑和十二烷基磺酸鈉得到漿料；（4）將所得漿料放入攪拌機(jī)中以500r/min的轉(zhuǎn)速充分?jǐn)嚢?0min后，加入雙氧水作為發(fā)泡劑繼續(xù)攪拌1min；（5）將漿料到入50mm×50mm×50mm的硅膠模具中，室溫條件下置放24h成型后，轉(zhuǎn)入烘箱中養(yǎng)護(hù)24h，養(yǎng)護(hù)溫度為60℃。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T 1964-1966《多孔陶瓷抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》等［8-9］相關(guān)規(guī)范，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)濁試材料的抗壓強(qiáng)度，加載速率為10mm/min；采用壓汞法濁試材料孔隙率；采用導(dǎo)熱系數(shù)濁定儀對(duì)試件的導(dǎo)熱系數(shù)展開濁試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表觀特征

圖1為制備完成后不同聚丙烯纖維摻量下新型無機(jī)多孔保溫材料。由圖1可知，養(yǎng)護(hù)成型后的新型無機(jī)多孔保溫材料成型整體性較好，樣品均呈灰白色。進(jìn)一步可以觀察到，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，新型無機(jī)多孔保溫材料的表觀孔的直徑呈現(xiàn)出先降低后逐漸增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為2%時(shí)，新型無機(jī)多孔保溫材料表面孔的孔徑最??；聚丙烯纖維摻量為4%時(shí)，新型無機(jī)多孔保溫材料表面孔的孔徑明顯大于不摻聚丙烯纖維和2%摻量聚丙烯纖維的新型材料。此外，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，新型多孔保溫材料的孔隙分布逐漸變得不均勻。低聚丙烯纖維參量下（0%、2%），樣品截面上孔隙分布較均勻且孔徑相差較小，而高聚丙烯纖維參量下（4%、6%）材料表面的孔隙呈現(xiàn)出孔徑大小不均、空間分布不均的特點(diǎn)。分析認(rèn)為，在新型無機(jī)多孔保溫材料中，由于聚丙烯纖維的長(zhǎng)度大于珍珠巖粉末的直徑，攪拌混合后的漿液均勻性發(fā)生變化，因此，摻入的聚丙烯纖維影響了材料的發(fā)泡過程。當(dāng)聚丙烯纖維摻量較小時(shí)，纖維、珍珠巖粉和水玻璃混合攪拌后漿液較均勻，因此其氣泡尺寸均勻；而當(dāng)聚丙烯纖維摻量較大時(shí)，混合漿液容易包裹纖維形成徑向柱狀產(chǎn)物，因此形成大直徑的氣孔。

圖1 不同聚丙烯纖維摻量下新型無機(jī)多孔保溫材料宏觀圖Fig.1 Macroscopic graph of novel inorganic porous thermal insulation materials with different polypropylene fiber content

2.2 微觀特征

利用JSM-IT300型電鏡掃描儀對(duì)養(yǎng)護(hù)成型后的新型無機(jī)多孔保溫材料進(jìn)行表征，得到不同聚丙烯纖維摻量下材料的掃描結(jié)果如圖2所示。由微觀圖可知，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，新型保溫材料內(nèi)部孔的大小先降低后增加，且4%聚丙烯纖維摻量下其孔徑明顯大于低摻量條件下，這也與材料的宏觀特征分析結(jié)果一致。由低精度（500μm）掃描結(jié)果可知，聚丙烯纖維在保溫材料骨架中的分布比較均勻，材料內(nèi)部連接性較好，微觀平面圖呈現(xiàn)出很好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由高精度（50μm）掃描結(jié)果可知，漿料對(duì)聚丙烯纖維有很好的包裹性，二者之間緊密貼合，能夠增強(qiáng)骨架的承載能力。

圖2 不同聚丙烯纖維摻量下新型無機(jī)多孔保溫材料微觀圖Fig.2 Microscopic graph of novel inorganic porous thermal insulation materials with different polypropylene fiber content

2.3 物理性能

隨著聚丙烯纖維摻量的逐漸增加，材料的孔隙率呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，材料的表觀密度呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，二者的變化趨勢(shì)相反（圖3）。不摻聚丙烯纖維的珍珠巖多孔保溫材料的初始平均孔隙率為84.92%，初始平均表觀密度為361.05kg/m3。摻入聚丙烯纖維后的多孔保溫材料孔隙度均高于珍珠巖多孔保溫材料，表觀密度均低于珍珠巖多孔保溫材料。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為2%時(shí)，新型無機(jī)多孔保溫材料孔隙率取得最大值、表觀密度取得最小值，此時(shí)孔隙率和表觀密度分別為94.68%和308.38kg/m3，孔隙率相對(duì)升高11.49%，表觀密度相對(duì)降低14.59%。結(jié)合材料宏、微觀分析結(jié)果可知，2%聚丙烯纖維摻量下新型保溫材料的孔徑更小、分布更均勻，發(fā)泡效果最佳，因此新型無機(jī)多孔保溫材料孔隙率高、密度低，在保溫材料應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖3 材料孔隙率及表觀密度隨纖維摻量變化關(guān)系Fig.3 Relationship between porosity and apparent density of materials and fiber content

材料的單軸抗壓強(qiáng)度隨著聚丙烯纖維摻量的逐增大而逐漸增大，二者之間成線性正相關(guān)（圖4）。不摻聚丙烯纖維的珍珠巖多孔保溫材料的初始平均抗壓強(qiáng)度為1.14MPa，此后抗壓強(qiáng)度分別相對(duì)提升2.51%、7.57%和11.24%。材料的熱導(dǎo)性系數(shù)隨著聚丙烯纖維摻量增加而逐漸減小，但由無纖維過渡到2%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度較大，之后隨纖維摻量增加變化幅度較小。珍珠巖多孔保溫材料初始平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.162W/(m·K)，摻入2%聚丙烯纖維后的多孔保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)驟降12.75%，材料的保溫性能產(chǎn)生了明顯的提高；此后材料的熱導(dǎo)性趨于穩(wěn)定，纖維摻量為4%和6%條件下材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.138W/(m·K)和0.132W/(m·K)。分析認(rèn)為，珍珠巖的主要成分是一種玻璃質(zhì)酸性噴出巖，其導(dǎo)熱系數(shù)約為2W/(m·K)，而聚丙烯的導(dǎo)熱系數(shù)要低于珍珠巖，約為0.55W/(m·K)。因此，在保持骨架材料整體含量不變的條件下，摻入聚丙烯纖維后材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)了明顯下降。此外，聚丙烯纖維的整體抗拉性能要優(yōu)于珍珠巖粉末，因此摻入聚丙烯纖維后材料的承載能力增強(qiáng)。由此可見，新型無機(jī)多孔保溫材料抗壓強(qiáng)度高且保溫性能更好，是一種工程性能較為優(yōu)良的保溫材料。

圖4 材料抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維摻量變化關(guān)系Fig.4 Relationship between compressive strength and thermal conductivity of materials with fiber content

2.4 吸濕性

保溫材料的吸濕性是影響其力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)熱能力的重要參數(shù)［10-12］，而多孔材料由于干密度較低，因此具有較強(qiáng)的吸濕能力。將制備完成的不同聚丙烯纖維摻量的多孔材料置于特殊倉(cāng)中，保持倉(cāng)內(nèi)溫度為35℃、濕度為90%。吸濕性試驗(yàn)持續(xù)72h，其中，前24h每4h濁一次質(zhì)量，后48h每8h濁一次質(zhì)量，得到不同聚丙烯纖維摻量下新型多孔保溫材料的吸濕性隨時(shí)間變化關(guān)系如圖5所示。由圖5(a)可知，新型多孔保溫材料具有非常明顯的吸濕性，且隨著時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，材料的吸濕率逐漸增大，但吸濕率增長(zhǎng)速率逐漸變慢。在72h吸濕性試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，材料的最大吸水率隨聚丙烯纖維摻量的增大而逐漸增大。普通珍珠巖多孔保溫材料的最大吸水率為3.42%，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，多孔材料的最大吸濕率分別達(dá)到3.66%、4.22%及4.87%。當(dāng)纖維摻量為2%時(shí)新型多孔材料的吸濕性增強(qiáng)效應(yīng)不明顯，其最大吸濕率較普通珍珠巖多孔保溫材料僅提升6.93%；此后材料吸水率增長(zhǎng)明顯，較普通保溫材料珍珠巖多孔保溫材料提升分別達(dá)到23.26%和42.35%。新型多孔保溫材料吸濕率和纖維摻量之間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.9909，函數(shù)擬合效果良好。

圖5 不同聚丙烯纖維摻量下多孔保溫材料吸濕性Fig.5 The moisture absorption of porous thermal insulation materials

3 結(jié)論

為研究聚丙烯纖維對(duì)珍珠巖多孔保溫材料工程性能的提升效果，室內(nèi)制備了四組不同聚丙烯纖維摻量的新型無機(jī)多孔保溫材料，并基于室內(nèi)試驗(yàn)深入分析了新型無機(jī)多孔保溫材料工程性能及內(nèi)在機(jī)理。研究主要結(jié)果如下：

（1）隨著聚丙烯纖維摻量的增大，成型后的試樣氣泡孔徑呈先減小后逐漸增大的變化趨勢(shì)，且氣孔分布均勻性變差。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為2%時(shí)，新型無機(jī)多孔保溫材料表面孔的孔徑最小。

（2）新型無機(jī)多孔保溫材料的孔隙率隨纖維摻量增大呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，材料的表觀密度的變化趨勢(shì)則相反；材料的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大，二者之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，但由無纖維過渡到2%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度較大，之后隨纖維摻量增加變化幅度較小。

（3）微觀電鏡圖結(jié)果顯示，聚丙烯纖維在保溫材料骨架中的分布比較均勻，材料內(nèi)部連接性較好，微觀平面圖呈現(xiàn)出很好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。漿料對(duì)聚丙烯纖維有很好的包裹性，能夠增強(qiáng)骨架的承載能力。

（4）新型無機(jī)多孔保溫材料的最佳聚丙烯纖維摻量為2%，此時(shí)該材料孔隙率為94.68%，表觀密度為308.38kg/m3，單軸抗壓強(qiáng)度為1.18MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.140 W/(m·K)，均顯著優(yōu)于珍珠巖多孔保溫材料。