發(fā)泡硅酸鈣的隔熱性能研究

摘""""" 要：研究泡沫體積分?jǐn)?shù)對硅酸鈣漿體的導(dǎo)熱系數(shù)以及導(dǎo)熱性能的影響。通過將廢舊硅酸鈣與發(fā)泡劑按不同配比混合，進(jìn)行高溫導(dǎo)熱系數(shù)和涂層隔熱測試并對測試結(jié)果進(jìn)行分析，研究發(fā)泡硅酸鈣的隔熱性能。結(jié)果表明：泡沫體積分?jǐn)?shù)為70%的發(fā)泡硅酸鈣隔熱性能最好，在100～400 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.051～0.073 W·m-1·K-1；在加熱管溫度為400 ℃、涂層厚度為2 cm時(shí)，材料表面溫度低至140 ℃。

關(guān)" 鍵" 詞：發(fā)泡劑；廢舊硅酸鈣；導(dǎo)熱系數(shù)

中圖分類號：TQ175""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號：1004-0935（2025）05-0189-04

隨著我國工業(yè)化和城市化的不斷推進(jìn)，已有大量廢舊硅酸鈣板材廢棄。由于其無法自然降解且沒有合理的方式再生利用，通常采用直接露天堆放或掩埋的方式處理，這些廢棄物會在自然環(huán)境中釋放大量的硅酸鈣、硫酸根、氫氧化鈣等物質(zhì)，使得水環(huán)境、土壤環(huán)境、大氣環(huán)境受到污染[1]，導(dǎo)致大量植物死亡，影響自然植物對二氧化碳的吸收，造成區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境受損，治理難度非常大。因此，對廢舊硅酸鈣板的合理回收利用，已經(jīng)成為保護(hù)環(huán)境亟須解決的問題。

以發(fā)泡劑作為填充料，與廢舊硅酸鈣粉末充分混合[2]，在發(fā)泡初期初始?xì)馀莸男螒B(tài)與穩(wěn)定性很大程度上取決于漿料的流變性[3]。研究結(jié)果表明，低黏度的漿料會導(dǎo)致氣泡在膨脹過程中破裂[4]，高黏度的漿料則會限制發(fā)泡過程的進(jìn)行[5]?；跐{料流變性對化學(xué)發(fā)泡過程的影響，可以通過改變漿料的黏度控制發(fā)泡硅酸鈣的孔隙特征。

利用發(fā)泡劑在硅酸鈣漿體中形成多孔結(jié)構(gòu)，添加黏結(jié)劑控制漿料黏度。通過對不同泡沫體積分?jǐn)?shù)的發(fā)泡硅酸鈣的微觀結(jié)構(gòu)觀察、高溫導(dǎo)熱測試、涂層隔熱測試，研究不同泡沫體積分?jǐn)?shù)對隔熱性能的影響，確定最佳的泡沫配比。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的硅酸鈣粉末是由硅酸鈣板粉碎過篩所制，硅酸鈣板來自工地的廢棄硅酸鈣板；發(fā)泡劑分為起泡劑和穩(wěn)泡劑2部分[6]，實(shí)驗(yàn)選用了2種價(jià)格低廉且發(fā)泡效果較好的陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和α-烯基磺酸鈉（AOS）作為發(fā)泡劑部分，發(fā)泡劑來自天津紅巖試劑廠；選用增稠性、懸浮性、絕熱性良好的黏土作為黏結(jié)劑；去離子水由實(shí)驗(yàn)室自制；玻璃纖維來自河北石家莊靈壽縣嘉碩建材加工有限公司。

1.2" 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；型號JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)、NK-200D智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定裝置，南京高特電子科技有限公司；X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，丹東奧龍射線儀器有限公司；SEM掃描電鏡，國儀量子（合肥）技術(shù)有限公司；隔熱測試儀，自制。自制涂層隔熱性能測試裝置如圖1所示，其包括加熱管、接線柱、內(nèi)外涂層熱電偶以及主控系統(tǒng)。

1.3" 實(shí)驗(yàn)過程

1.3.1" 樣品制備

硅酸鈣漿料制備：稱取硅酸鈣粉體100 g，加入200 g去離子水，攪拌機(jī)攪拌均勻后，加入10 g高溫黏結(jié)劑以及2 g玻璃纖維，得到硅酸鈣漿料。

泡沫制備：稱取去離子水100 g，依次加入十二烷基苯磺酸鈉0.7 g、α-烯基磺酸鈉0.3 g，攪拌速度2 800 r·min-1攪拌3 min以上，得到泡沫[7-9]。

1.3.2" 泡沫硅酸鈣結(jié)構(gòu)分析

稱取不同體積分?jǐn)?shù)泡沫與硅酸鈣漿料混合，攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢枋蛊涑浞纸Y(jié)合，放到振搗臺上振蕩"" 6 min后將制得漿料裝入直徑為3 cm、高度為3 cm正方體模具中，充分干燥后用于X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)測試。利用SEM掃描電鏡對硅酸鈣漿體以及發(fā)泡硅酸鈣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。

1.3.3" 高溫導(dǎo)熱系數(shù)測試

以0、30%、50%、70%、90%的泡沫體積分?jǐn)?shù)與硅酸鈣漿料利用攪拌機(jī)充分混合后，每個(gè)配比制成一個(gè)直徑20 cm、高2 cm的圓餅，振實(shí)，并將表面涂抹平整。在室溫下放置24 h，防止水分蒸發(fā)過快表面開裂，轉(zhuǎn)放到恒溫干燥箱中恒溫40 ℃、6 h，再升溫至60 ℃烘干12～14 h，至樣品質(zhì)量無明顯變化。放入平板高溫導(dǎo)熱測試儀中測定導(dǎo)熱系數(shù)，主爐電壓為5.2 V、電流為1.5 A，測試時(shí)儀器的參數(shù)溫度設(shè)定為100、200、300、400 ℃，運(yùn)行儀器，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后，導(dǎo)熱系數(shù)連續(xù)5次相差小于" ±0.5%后儀器自動輸出測試結(jié)果，自動進(jìn)行下一溫度測試，直至所有溫度測試完畢并輸出測試結(jié)果。

1.3.4" 涂層隔熱性能測試

以0、30%、50%、70%、90%的泡沫體積分?jǐn)?shù)與硅酸鈣漿料利用攪拌機(jī)充分混合后，涂抹在直徑20 mm的陶瓷加熱管表面，控制涂層厚度為20 mm，為避免涂層干燥開裂每次涂抹厚度不超過10 mm，待干燥后繼續(xù)涂抹。表面涂抹平整后放入烘干箱中烘干，等待涂層完全干燥后取出，按圖1中所示連接接線柱并安裝觸電保護(hù)帽，一端熱電偶分別固定在涂層內(nèi)外表面，另一端連接測試儀器，設(shè)定溫度100～400 ℃后進(jìn)行隔熱測試，運(yùn)行儀器，待顯示屏中設(shè)定溫度與涂層表面溫度均趨于平穩(wěn)后，測得涂層表面溫度，重新設(shè)定溫度并進(jìn)行下一個(gè)溫度的測試，每隔100 ℃調(diào)整1次，儀器將測試結(jié)果以Excel形式輸出并通過u盤保存。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 發(fā)泡硅酸鈣斷層掃描圖

借助X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)得到發(fā)泡硅酸鈣的可視圖像，結(jié)果如圖2所示，黑色部分為孔隙。由圖2（a）、圖2（b）可以看出，泡沫體積分?jǐn)?shù)為90%時(shí)，雖然產(chǎn)品能夠成型，但存在一些大尺寸缺陷和裂紋，原因是在產(chǎn)品烘干過程，水分的蒸發(fā)破壞了一部分閉孔結(jié)構(gòu)[10]，使硅酸鈣漿體產(chǎn)生黏結(jié)造成大尺寸缺陷，氣孔與氣孔之間產(chǎn)生了連通，產(chǎn)生裂紋。由圖2（c）、圖2 （d）可以看出，泡沫體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)產(chǎn)生的氣孔是均勻分布且孔徑較90%泡沫更小，減少了內(nèi)部對流，提高了發(fā)泡硅酸鈣的隔熱性能。

2.2" 發(fā)泡硅酸鈣微觀結(jié)構(gòu)分析

硅酸鈣涂料以及70%發(fā)泡硅酸鈣微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖如圖3所示。由圖3（a）可以看出，硅酸鈣涂料中的纖維互相鉸鏈形成具有類似鳥窩的結(jié)構(gòu)，添加1.5～2 cm的玻璃纖維作為補(bǔ)充，形成骨架，使得漿體能夠附著在骨架上，增強(qiáng)涂層的拉伸強(qiáng)度和抗裂性能，形成層狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且排列方式為平行層疊。由圖3（b）可以看出，加入體積分?jǐn)?shù)70%泡沫的硅酸鈣漿料形成的涂層具有形狀分布均勻的多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得材料具有高孔隙率、低密度等特性[11]。材料的這些特性使得內(nèi)部對流換熱大大降低，并且閉孔結(jié)構(gòu)中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于硅酸鈣漿料的導(dǎo)熱系數(shù)，這使得發(fā)泡硅酸鈣材料的隔熱性能得到提高。

2.3" 不同泡沫體積分?jǐn)?shù)對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

將不同泡沫體積分?jǐn)?shù)的發(fā)泡硅酸鈣材料制成直徑20 cm、厚度2 cm的圓餅，烘干后進(jìn)行高溫導(dǎo)熱測試，與不含泡沫的硅酸鈣漿體進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著硅酸鈣漿體中泡沫體積分?jǐn)?shù)的增加，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)也在不斷降低，當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)為0時(shí)，涂料在400 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.120 W·m-1·K-1；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.095 W·m-1·K-1；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)50%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.090 W·m-1·K-1；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.073 W·m-1·K-1；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)為90%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.084 W·m-1·K-1。當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度明顯變大。這是由于當(dāng)泡沫在涂料中體積分?jǐn)?shù)增加，一定厚度的涂層內(nèi)孔隙率變高，形成的多孔結(jié)構(gòu)中存貯空氣的孔隙增多。由于空氣的導(dǎo)熱率是最低的，因此當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)低于70%時(shí)隨著泡沫體積分?jǐn)?shù)增加，涂料的導(dǎo)熱系數(shù)降低。當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)到達(dá)70%后繼續(xù)增加泡沫體積分?jǐn)?shù)，涂料導(dǎo)熱系數(shù)反而上漲，原因是在產(chǎn)品烘干過程，水分的蒸發(fā)破壞了一部分閉孔結(jié)構(gòu)，造成部分孔徑變大，從而在傳熱過程中產(chǎn)生了對流傳熱，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增高[12]。

2.4" 不同泡沫體積分?jǐn)?shù)對隔熱性能的影響

將泡沫與硅酸鈣漿料混合后得到的漿體涂在加熱棒上，烘干后對不同泡沫體積分?jǐn)?shù)的泡沫硅酸鈣進(jìn)行隔熱溫差測試，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著泡沫體積分?jǐn)?shù)的增加，泡沫硅酸鈣的隔熱溫差不斷增大。當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，對泡沫硅酸鈣的隔熱影響不大，隨著泡沫體積分?jǐn)?shù)的增加，泡沫硅酸鈣的隔熱效果逐漸明顯，當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)隔熱效果最明顯，并且隨著溫度的升高，溫差逐漸增大。當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，硅酸鈣漿料涂層的表面溫度為198 ℃，當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時(shí)，發(fā)泡硅酸鈣涂層表面溫度為172 ℃；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)，涂層表面溫度為155 ℃；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，涂層表面溫度為140 ℃；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)，涂層表面溫度為148 ℃。由此可見，泡沫對涂料的隔熱性能有增強(qiáng)作用，且在體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)增強(qiáng)效果最好。

3" 結(jié) 論

進(jìn)行了硅酸鈣漿料以及發(fā)泡硅酸鈣的微觀形貌觀察，通過斷層掃描圖觀察發(fā)泡硅酸鈣的孔結(jié)構(gòu)和缺陷，對不同體積分?jǐn)?shù)的發(fā)泡硅酸鈣進(jìn)行高溫導(dǎo)熱測試以及隔熱測試。對測試后結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡硅酸鈣微觀形貌呈現(xiàn)均勻多孔結(jié)構(gòu)，對熱量的傳導(dǎo)有阻滯作用，從而增強(qiáng)材料的隔熱性能；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)超過70%時(shí)，部分閉孔結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生缺陷導(dǎo)致部分孔徑變大，氣孔與氣孔間產(chǎn)生連通，導(dǎo)致對流傳熱增強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)降低；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)不超過70%時(shí)，增加泡沫體積分?jǐn)?shù)，發(fā)泡硅酸鈣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降，隔熱性能測試時(shí)涂層表面溫度逐漸下降；當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)到達(dá)70%時(shí)，泡沫硅酸鈣的隔熱性能最佳，在400 ℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)較硅酸鈣涂料降低了0.047 W·m-1·K-1。因此，泡沫硅酸鈣中的泡沫體積分?jǐn)?shù)為70%時(shí)為最優(yōu)配料比。

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Study on Thermal Insulation Performance of Foamed Calcium Silicate

SUN Xiaokang， SUN Xiaoyu，WEI Li

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract： The effect of foam volume fraction on the thermal conduction coefficient and thermal conductivity of calcium silicate slurry was studied. The thermal insulation performance of foamed calcium silicate was studied by mixing waste calcium silicate with foaming agent according to different ratios， high-temperature thermal conductivity and coating thermal insulation tests were carried out，and the test results were analyzed. The results showed that the foamed calcium silicate with volume fraction of 70% had the best thermal insulation performance， and the thermal conduction coefficient was 0.051?0.073 W·m-1·K-1 in the range of 100?400 ℃. When the heating tube temperature was 400 ℃ and the coating thickness was 2 cm， the surface temperature of the material was as low as 140 ℃.

Key words： Blowing agent; Waste calcium silicate; Thermal conduction coefficient