界面耦合技術(shù)在保溫材料中的應(yīng)用

丁 慶， 申 天 游， 羅 安 凱， 楊 代 六， 田 先 忠， 趙 鴻 遠(yuǎn)

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072；2.中國水電基礎(chǔ)局有限公司國際公司，天津 武清 037100)

界面耦合技術(shù)在保溫材料中的應(yīng)用

丁 慶1， 申 天 游1， 羅 安 凱2， 楊 代 六1， 田 先 忠1， 趙 鴻 遠(yuǎn)1

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072；2.中國水電基礎(chǔ)局有限公司國際公司，天津 武清 037100)

復(fù)合材料是新材料研究的熱點(diǎn)。而復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)對其性能起著至關(guān)重要的作用，對界面過渡區(qū)域的研究已經(jīng)取得了很多的成果。介紹了一種基于界面研究理論的界面耦合處理技術(shù)，通過其在復(fù)合保溫材料中的應(yīng)用，明顯地改善了保溫材料的微觀結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度性能。

界面耦合；保溫材料；強(qiáng)度

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對環(huán)境的要求越來越高。雖然國家在大力發(fā)展水電、太陽能、風(fēng)電等清潔能源，但是目前仍然沒有改變我國以火電為主的能源結(jié)構(gòu)。為了減少化石燃料使用量，建筑結(jié)構(gòu)的保溫可以對節(jié)能起到很大的作用。保溫材料的研究和應(yīng)用，必將在未來有更大的市場和發(fā)展空間。

現(xiàn)階段保溫材料種類豐富，性能各異，但是存在的一個最大問題是：保溫材料的強(qiáng)度都很差，這是由其結(jié)構(gòu)、保溫原理帶來的天生缺陷。因?yàn)榻^大部分保溫材料的原理是利用空氣的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，通過各種手段引入氣體來減少熱橋，從而降低其整體導(dǎo)熱系數(shù)，但引入空氣會降低材料受力時的有效截面積，從而造成其有效強(qiáng)度下降。

筆者所進(jìn)行的研究是采用界面耦合處理技術(shù)研究改善界面作用以及對保溫材料性能的影響。

1 界面及界面理論

復(fù)合材料的界面是指基體與增強(qiáng)物之間化學(xué)成分有顯著變化、構(gòu)成彼此結(jié)合能傳遞載荷作用的微小區(qū)域。界面是不同于兩邊相態(tài)的實(shí)體，有獨(dú)立的相，占一定的空間，有固定的位置，具有一定的厚度，物質(zhì)的組分和能量可以通過這個區(qū)域從一個相連續(xù)地變化到另一個相。也就是說：兩相之間并不存在截然分開的分界面,相與相間是一個逐步過渡的區(qū)域，界面區(qū)的結(jié)構(gòu)、能量、組成等都呈現(xiàn)連續(xù)的梯度變化。界面是材料物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生空間突變的二維區(qū)域,是材料中普遍存在的結(jié)構(gòu)組成單元。材料的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性均與材料的界面有著非常密切的關(guān)系。材料的很多破壞和失效亦首先起源于界面，如加載應(yīng)力的傳遞不可避免地通過界面與基體的相互作用進(jìn)行。

界面是決定復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，亦是復(fù)合材料研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)問題。

關(guān)于界面作用機(jī)理，其主流的理論研究如下：

(1)界面浸潤理論。

1963年，Zisman提出了界面浸潤理論。主要觀點(diǎn)為填充材料被基體材料良好的浸潤對復(fù)合材料的性能是極其重要的，當(dāng)潤濕不良產(chǎn)生時，填充材料與基體之間的界面會產(chǎn)生空隙，當(dāng)復(fù)合材料受力時，空隙處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而使復(fù)合材料發(fā)生開裂。當(dāng)完全潤濕時，填充材料與基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度將大于基體的內(nèi)聚力。根據(jù)界面浸潤理論可知：改善復(fù)合材料的性能需要增加基體材料的浸潤性能，在實(shí)際生活中，通常選擇對填充材料表面改性的方式來改善其與基體之間的潤濕性能，也可以通過改變基體組分的方式來改善其相互之間的潤濕性。

(2)化學(xué)鍵理論。

化學(xué)鍵理論是指填充材料與基體材料之間通過化學(xué)反應(yīng)形成共價鍵、或者通過既能與基體反應(yīng)，也可以和填充材料反應(yīng)的偶聯(lián)劑形成界面。理論上可以獲得最大的界面粘結(jié)能。

(3)物理吸附理論。

當(dāng)填充材料與基體之間帶有不同性質(zhì)的電荷時，將產(chǎn)生靜電吸引，但其作用范圍僅限于原子尺寸范圍內(nèi)。

(4)變形層理論。

增強(qiáng)材料表面經(jīng)過處理后，在其界面上形成一個塑性層，受力時可以松弛并減小應(yīng)力，這一理論被稱為變形層理論。

界面耦合技術(shù)即是基于以上理論研究，對填充材料進(jìn)行處理后以最大的程度與基體材料無隙結(jié)合的一項(xiàng)處理技術(shù)。

2 保溫材料的界面

保溫材料可以大體分為無機(jī)保溫材料、有機(jī)保溫材料和復(fù)合保溫材料。

2.1 無機(jī)保溫材料

2.1.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土是通過發(fā)泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經(jīng)過發(fā)泡機(jī)的泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成型，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料。泡沫混凝土具有輕質(zhì)、保溫隔熱性能好、隔音耐火性能好、低彈減震性好、生產(chǎn)加工方便、環(huán)保性能好、施工方便等優(yōu)良的綜合性能，是我國無機(jī)保溫材料中應(yīng)用最為廣泛的材料之一。但是，泡沫混凝土依然存在強(qiáng)度較低、易開裂、開裂后吸水嚴(yán)重等問題。

2.1.2 無機(jī)保溫砂漿

無機(jī)保溫砂漿是以低密度多孔無機(jī)顆粒、粉末或短纖維為輕質(zhì)骨料，通過添加一定的膠凝材料及其他多元復(fù)合外加劑，按一定比例、經(jīng)一定工藝制成的保溫抹面材料。無機(jī)保溫砂漿具有質(zhì)輕、隔熱、保溫、不燃、抗老化、耐腐蝕、耐蟲蛀、對人畜無害等優(yōu)良特性，以及施工方便和價格便宜等優(yōu)勢。但是，由于其尚存在一些問題，比如材料容重稍差、保溫隔熱性能稍差、吸水率較大、和易性稍差等，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

綜上可以看出：無機(jī)保溫材料強(qiáng)度較差，吸水率較大，保溫性能一般。既使采用閉孔的空心玻璃微珠或粉煤灰漂珠，以及無機(jī)/有機(jī)復(fù)合膠材，無機(jī)保溫砂漿的強(qiáng)度、吸水率仍然改善不大。從SEM微觀分析(圖1)可以看出：在低放大倍數(shù)下，無機(jī)保溫砂漿填充了緊密排列，宏觀表現(xiàn)致密。然而，隨著放大倍數(shù)的依次增大，可以明顯地看出在填充漂珠之間存在著數(shù)量眾多的空隙，表現(xiàn)為漂珠界面嚴(yán)重缺膠，當(dāng)保溫砂漿受到外力壓迫時，膠凝材料將力傳到材料內(nèi)部。由于膠凝材料與填料之間為點(diǎn)接觸，接觸面積較少，相應(yīng)的接觸點(diǎn)應(yīng)力很大，很容易被破壞；接觸點(diǎn)被破壞之后，填料漂珠只承擔(dān)縱軸向的受力，從而非常容易被破壞。遇水時情況類似，填料與基體之間的空隙為水分的進(jìn)入和滲透留下了通道，從而導(dǎo)致其保溫性能和耐久性下降。

2.2 有機(jī)保溫材料

有機(jī)類保溫材料主要來源于石油副產(chǎn)品，包括發(fā)泡聚苯板(EPS)、擠塑聚苯板(XPS)、噴涂聚氨酯(SPU)以及聚苯顆粒等。有機(jī)類外墻保溫系統(tǒng)占據(jù)了我國當(dāng)前外墻保溫市場75%以上的份額。

在水工行業(yè)，大壩保溫目前以EPS和XPS為主，也有噴涂聚氨酯應(yīng)用的案例，取得了比較好的保溫效果，但同樣存在強(qiáng)度不高、抵抗外界作用力能力較弱的缺點(diǎn)。若在其安裝或使用過程中遇到碰撞或河流漂浮物的撞擊，很容易造成保溫層表面破損而導(dǎo)致其進(jìn)水，最終導(dǎo)致保溫失效或整體從壩面被撕開。因此，在保證足夠保溫性能的前提下，提高其保溫材料強(qiáng)度具有十分重要的意義。

從掃描電鏡圖片(圖2)可以看出：硬泡聚氨酯保溫材料微觀結(jié)構(gòu)為互相緊密排列的帶壁氣泡，氣泡顆粒之間的微小空隙也被更小尺寸的氣泡顆粒填充，形成級配良好的密堆積結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)有利于其內(nèi)部均勻傳遞分布應(yīng)力，提高其抵抗外力的能力。同時可以看到：每個微觀球體單元上均有薄膜或開口現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能會造成小球體單元受力失衡，且有機(jī)材料本身抗壓能力有限，進(jìn)而造成硬泡聚氨酯強(qiáng)度有限。

3 高強(qiáng)復(fù)合保溫材料及其性能

3.1 高強(qiáng)復(fù)合保溫材料的制備原理

由于硬泡聚氨酯保溫材料具有良好的保溫能力和較高的基礎(chǔ)強(qiáng)度，為了得到既能滿足保溫性能，又能具有較高抗外力能力的保溫材料，筆者最終選擇了采用硬泡聚氨酯并對其進(jìn)行改性的方案。

由圖3可以看出：硬泡聚氨酯由于其固有的發(fā)泡機(jī)理而造成小球單元薄壁存在開口且壁材較為軟弱。為了提高強(qiáng)度、同時不明顯削弱其保溫能力，我們選擇采用硬質(zhì)空心材料作為填料。然而，硬質(zhì)空心材料均為無機(jī)相，與聚氨酯有機(jī)相結(jié)合能力一般。直接復(fù)合得到的材料微觀結(jié)果見圖3，從圖3可以看出：硬質(zhì)空心材料在聚氨酯體系中分布，斷面出現(xiàn)許多凹坑，表明其破碎過程中有很多硬質(zhì)空心小球是被拔出而分離，說明硬質(zhì)空心小球與聚氨酯基體的粘結(jié)能力一般。圖3右側(cè)的圖片可以印證此結(jié)論。1 600倍放大時，可以明顯地看到填充物與基體材料之間的微小間隙。

圖1 保溫砂漿SEM示意圖

圖2 聚氨酯硬泡SEM示意圖

圖3 硬泡聚氨酯/硬質(zhì)空心球復(fù)合保溫材料示意圖

圖4是經(jīng)過表面耦合技術(shù)處理的硬質(zhì)空心小球與硬泡聚氨酯復(fù)合而成的保溫材料，從圖4中可以明顯看出：小球與基體結(jié)合的相當(dāng)緊密，其表面光滑過渡，結(jié)構(gòu)完整，破碎面聚氨酯基體與硬質(zhì)空心小球同時發(fā)生橫向斷裂，說明在破壞之前，聚氨酯基體與填料的共同受力最終超過了極限而同時發(fā)生破壞，應(yīng)力傳導(dǎo)充分。微觀致密的結(jié)構(gòu)不僅有利于強(qiáng)度的提高，而且由于其整體基本完成、不存在通孔或裂縫，其抗?jié)B能力也得到了大幅度地提高。

圖4 表面耦合技術(shù)處理后的微觀效果圖

圖5 保溫材料結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖5為保溫材料細(xì)觀示意圖，可以理解為膠凝材料基體與減輕(填料)成分的復(fù)合材料，減輕材料可以為空氣、輕質(zhì)空心材料等。圖6為膠凝材料基體與減輕材料界面結(jié)合方式圖。圖6(a)所示基體材料與減輕材料之間為空氣，表現(xiàn)為基體材料無法與減輕材料相結(jié)合，現(xiàn)在所使用的絕大部分保溫砂漿材料內(nèi)部均為這種結(jié)合方式，其所含空氣界面層無法抵御任何外力，只能靠機(jī)械咬合力，非常容易破壞，所以，大部分保溫砂漿的強(qiáng)度不會超過1 MPa。采用與基體相親的材料或者對減輕材料使用偶聯(lián)劑處理，均可以改善界面接觸情況，如圖6b及6c所示，界面層存在范德華力，氫鍵或者電荷作用使得界面能夠承受較大的載荷。而高強(qiáng)保溫材料在偶聯(lián)界面的基礎(chǔ)上引入的活性化學(xué)改性劑可以在保溫材料基體與減輕材料之間形成新的化學(xué)交聯(lián)，同時，由于存在偶聯(lián)長鏈分子，在其受力過程中可以有有限距離的位移滑動，以保證保溫材料具有一定的抗沖擊性能；當(dāng)受力程度增大，位移過大，超過長鏈分子的長度，化學(xué)鍵力可以保證其界面具有較強(qiáng)的連接，故高強(qiáng)保溫材料具有很高的強(qiáng)度。而界面層如果只存在偶聯(lián)作用，偶聯(lián)分子極有可能在受力不是非常強(qiáng)的情況下被拔出而導(dǎo)致界面鏈接失效。

a.不緊密接觸 b.范德華力及氫鍵接觸

c.偶聯(lián)劑接觸 d.化學(xué)鍵接觸圖6 界面結(jié)合方式示意圖

3.2 保溫材料的性能

基于界面耦合技術(shù)研發(fā)的復(fù)合保溫材料的基本性能見表1。

表1 基于界面耦合技術(shù)研發(fā)的復(fù)合保溫材料基本性能表

4 結(jié) 語

對于復(fù)合保溫材料來說，界面過渡區(qū)域的性能是決定其整體性能的關(guān)鍵。筆者通過分析認(rèn)為：傳統(tǒng)的保溫材料強(qiáng)度差、耐用性不好的關(guān)鍵原因就在于其界面區(qū)域的處理不理想，存在過多的空隙氣泡，嚴(yán)重劣化了復(fù)合保溫材料的整體性能；提出了通過界面耦合技術(shù)處理復(fù)合保溫材料，可以提高復(fù)合材料組分之間的親和性，減少填料與基體之間的空隙，在不影響保溫能力的情況下，能夠大幅度提高復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度，從而有效拓展了保溫材料的應(yīng)用范圍。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV41

B

1001-2184(2017)01-0064-05

丁 慶(1987-)，男，湖北孝昌人，工程師，碩士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

申天游(1989-)，男，重慶銅梁人，助理工程師，學(xué)士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

羅安凱(1985-)，男，四川成都人，工程師，碩士，從事水工混凝土材料研究；

楊代六(1973-)，男，重慶銅梁人，室主任，教授級高級工程師，碩士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

田先忠(1968-)，男，湖北宜昌人，副室主任，高級工程師，碩士，從事水工新材料的研發(fā)及水工混凝土材料研究；

趙鴻遠(yuǎn)(1975-)，男，四川成都人，助理工程師，從事水工混凝土材料研究.