微波膨化法制备硬质多孔保温材料的研究

微波膨化法制备硬质多孔保温材料的研究

能源是经济和社会发展不断变化、提高人民生活水平的重要物质基础。国家能源中长期发展计划（草案）指出，要解决中国能源问题，必须落实正确的指导原则，走中国特色能源发展道路，保持节约能源在第一位，显著提高能源利用效率。中国人均能源资源占世界的平均值的一半以上，但中国的能源利用效率仅为35%，远低于发达国家。中国的能源消耗大，利用率低。如果能在节能和能源效率方面取得突破，就可以缓解中国资源匮乏的矛盾。各类热工设备及建筑的保温绝热,是节能的重要措施.保温绝热材料是节能的物质基础.性能优良的保温绝热材料和良好的保温技术,在工业保温中往往可起到事半功倍的效果.统计表明,建筑中每使用1t矿物棉保温绝热制品,每年可节约1t燃油.在锅炉、发电设备、工业管道和其他热工设备上,每使用1m3岩矿棉制品,平均每小时可节约能量10000J,每年可节约标准煤3t左右.采用良好的绝热措施与材料,可使热量损失降低95%左右,不但可显著降低生产能耗和成本,改善环境,同时有较好的经济效益.传统膨胀珍珠岩保温材料是以膨胀珍珠岩为骨料,水玻璃、磷酸盐等为粘结剂在高温下焙烧而成,或者通过添加水泥等固化剂在60～120℃条件下长时间静置固化得到.微波加热膨化过程中,物料内外同时加热,物料内部低沸点电介质(如水等)迅速汽化和转移,使物料形成无数的微小孔隙.微波加热膨化的这种特殊性,给多孔保温材料的制备带来了新的机遇.1实验部分1.1试样的制备方法用天平称按比例快速称取膨胀珍珠岩、锂基膨润土、煅烧高岭土和碳酸钙置于1000mL塑料烧杯中,慢速搅拌15min后加入适量蒸馏水,继续慢速搅拌10～15min后再加入适量水玻璃,慢速搅拌至混合均匀为止.用天平称称取2份250g的混合物,分别加入自制的模具中,利用压力机压制成100mm×100mm×10mm规格的块状材料.将所制得的其中一块状材料用微波炉加热膨化15min,另一块用马弗炉在400℃条件下加热膨化30min,取出静置冷却.采用以上方法可制备本实验所需组成比例不同的多种样品备用.1.2表观密度和抗压强度(1)将样品放在105～110℃的烘箱中,烘至恒重,在室温条件(约22～25℃)下用准稳态导热系数测定仪测量样品的导热系数;(2)将样品放入105～110℃烘箱中烘至恒重,取出置入干燥器中,冷却至室温,用游标卡尺测量样品的尺寸,用天平称测量样品的质量,计算样品的体积和表观密度;(3)将样品放入105～110℃烘箱中烘至恒重,取出置入干燥器中,冷却至室温,用压力试验机测定样品的破坏压力,计算样品的抗压强度;(4)将样品置于烘箱中,以不超过110℃的温度烘至恒重,称其质量后放入水槽中,然后注入蒸馏水,使水面至试件高度的1/4处,2h后加水到试件高度的1/2,隔2h再加水至试件高度的3/4处,又隔2h加水至高出试件1～2cm,再经1天后取出试件,用拧干的湿毛巾轻轻抹去表面的水分,称其质量,称量后仍放回槽中浸水,以后每隔1昼夜用同样方法称取样品质量,直至样品浸水至恒定质量为止,计算材料的吸水率.2结果与分析2.1微波加热膨化微波加热膨化速度快,可比马弗炉加热膨化节省大量的膨化时间.这是因为微波不需要热传导过程,可瞬间穿透到被加热物料的中间,并在很短的时间内把微波能转换为热能.微波加热膨化过程稳定,样品可保持原料的色泽,不会使被加热的材料发生变形,材料表面平整;箱式马弗炉加热膨化则不同,样品表面易变色、变形.微波加热膨化过程中,样品各部分受热均匀,表里一致;而箱式马弗炉加热膨化则是从样品表面开始,然后通过热传导至内部,使物体受热不均.两种不同加热膨化方式所制备的样品外表如图1所示.此外,在微波加热膨化过程中,作为膨化剂的水极易吸收微波而发热,除少量的传输损耗外,几乎无其它能量消耗,因此微波加热膨化过程具有较高的热效率,采用微波技术制作样品所需能耗约为传统高温加热膨化的82%～87%.微波加热膨化方式制备的样品的导热系数均不同程度地低于马弗炉加热膨化方式制备的样品的导热系数,如表1所示.通过扫描电镜对样品表面结构(如图2所示)进行分析发现,微波加热膨化方式制备的样品的表面孔隙孔径较大并且分布均匀、表面结构疏松,而马弗炉加热膨化方式制备的样品的表面孔隙孔径较小且分布不均匀,表面结构较为致密.2.2原料组成对环保性能的影响2.2.1膨胀珍珠岩含量对材料保温性能的影响膨胀珍珠岩具有密度(通常在80～250kg/m3之间)低、孔隙率高的特点,可作为保温材料的骨料.在保持添加剂和粘结剂配比不变的条件下,膨胀珍珠岩含量对保温材料性能的影响如图3所示.由图3可以看出,随着膨胀珍珠岩含量的增大,新型保温材料的导热系数将下降,当膨胀珍珠岩含量增大到一定值(44%)后,材料的导热系数呈上升趋势.这是由于适当增大膨胀珍珠岩的含量能够提高材料的孔隙率,但是过量的膨胀珍珠岩会造成互相连通的孔隙增多,孔隙内壁面及相邻孔隙内壁面之间的温度分布不均匀程度加剧,使得对流传热增强,从而导致导热系数增大,降低了材料的保温隔热性能.2.2.2性能与材料导热系数保持添加剂和骨料配比不变的条件下,水玻璃含量对保温材料导热系数的影响如图4所示.从图4可以看出,随着粘结剂水玻璃含量的增大,材料的导热系数不断增大.这是由于水玻璃的密度比膨胀珍珠岩要大得多,大约在1250～1400kg/m3之间.当水玻璃的含量不断增大时,保温材料的表观密度不断增大,材料的导热系数也不断增大.另一方面,水玻璃含量的增大,使得保温材料的固相孔隙逐渐被填充以及固相颗粒间的结合趋于致密,造成材料的孔隙率显著下降,孔径缩小,固体热传导作用增强,导热系数明显上升.2.2.3微波加热膨化与培养碳酸钙含量的关系添加锂基膨润土、煅烧高岭土和碳酸钙的目的是在不影响或有利于提高材料保温性能的前提下,增强新型保温材料的机械强度、抗水、抗腐蚀等其它各项性能.在保持骨料与粘结剂为最佳配比的条件下,不同添加剂含量对保温材料性能的影响如图5所示.从图5中可以看出,当锂基膨润土含量在8%～15%范围内、煅烧高岭土含量在2%～6%范围内时,保温材料的导热系数不随锂基膨润土或煅烧高岭土含量的变化而变化;当碳酸钙含量在1.6%～6%范围内时,保温材料的导热系数随碳酸钙含量的增加而下降.说明在实验范围内,增加剂锂基膨润土和煅烧高岭土的含量对所制备的保温材料的隔热性能无明显影响,而增大碳酸钙的含量则有利于提高保温材料的隔热性能.锂基膨润土具有强滑感、热稳定性好、粘度高的特点.锂基膨润土作为普通添加剂,能增加保温材料的机械性能.膨润土遇水膨胀,渗透系数小,具有良好的自封能力,可增加保温材料的防水性能.煅烧高岭土是一种层状的粘土矿物,其结构是由一层Si—O四面体和一层Al—O八面体相互堆叠而成,层与层之间很容易被其它小分子插入形成粘土复合物.煅烧高岭土具有较强的可塑性和粘结力、高的耐火度和烧结度、良好的绝缘性、化学稳定性等优良性能,作为添加剂可提高材料的力学性能和耐久性能.煅烧高岭土与水玻璃发生发应,迅速凝结硬化,提高保温材料的粘结强度.选用碳酸钙,而非传统采用的氧化钙,能更大程度地降低材料的导热系数,在微波加热膨化过程中,碳酸钙在微波作用下,其分子内部的某些键发生断裂,生成活性氧化钙和二氧化碳气体.生成的活性氧化钙可与材料中的二氧化硅生成硅酸钙.硅酸钙的生成,使得材料成份中增加了离子键的作用,这样可加大材料的机械强度,从而优化了保温材料的性能.此外,碳酸钙分解生成的二氧化碳气体可与材料中的水蒸汽发生协同膨胀作用,使材料内部产生更多的微孔结构,提高了材料的隔热效果.2.3提高了粘结剂的性能,主要主要性能指标经过分析原料组成对所制备保温材料导热系数及综合性能的影响规律,文中按最佳配方(骨料膨胀珍珠岩含量为46%,粘结剂水玻璃含量为36%,添加剂锂基膨润土、煅烧高岭土和碳酸钙含量分别为13%、3%和2%)制备了具有较好性能(见表2)的保温材料.由表2可以看出,新型多孔保温材料的各项主要性能指标均达到或明显优于同类保温材料.由于新型保温材料的内部微孔明显增多,孔隙率增大,其质量吸水率略高于同类型保温材料.3微波加热膨化与高温加热膨化骨料膨胀珍珠岩和粘结剂水玻璃含量是影响新型多孔保温材料保温性能的主要因素.添加剂含量对保温材料的导热系数影响不大,但有利于提高新型保温材料的机械强度、耐水性,有效地降低材料的表观密