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地质聚合物基外墙外保温材料的研制
刘震1，盛世亮1，崔学民1，刘海锋2，巢启2
（1.广西大学化学与化工学院，广西南宁530004；2.广西启利新材料科技有限公司，广西北海536000）
0 前言
地质聚合物（简称地聚物）是一种硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成，具有非晶态和准晶态特征的三维网络状凝胶材料，因其产物中含有大量与构成地壳物质性质相似的含硅铝长链的无机聚合物而得名，又可以称其为土聚物、土壤聚合物、地质聚合物、矿物聚合物、无机高分子聚合物等[1-3]。地聚物作为近几年发展迅速的无机聚合材料，主要有以下特点[4-6]：
（1）力学性能优异，快硬早强；
（2）良好的耐久性和耐腐蚀性；
（3）渗透率低；
（4）耐高温，隔热性能好；
（5）生产能耗极低，绿色低碳。这些优异的性能使得地质聚合物材料能够广泛地应用于冶金、化工、建材、土木工程、航空以及环境保护等方面，其研究与开发得到了各国材料工作者的普遍关注。
21 世纪，能源问题成为全球各国面临的一个重大挑战，而建筑节能在节约能源方面是非常重要的一支力量，发展建筑保温材料是节约能源的一个十分重要的环节[7]。目前我国建筑节能水平还远远低于发达国家，建筑单位面积能耗是气候相近的发达国家的3~5 倍，而且国内采用的建筑保温材料主要是有机材料，以膨胀聚苯乙烯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯硬泡塑料为主，这类保温材料防火性差，易燃，且燃烧放出大量有毒有害气体[8]。在保温材料急需变革的背景下，我们提出了本项目的研究，目的就是为了研制出一种保温性能优异，同时防火性能突出、安全性高的建筑外墙外保温材料。本文从工业化的实际需求出发，利用地聚物的高强度、耐高温、隔热性好的特点，探究了一种新型建筑外墙外保温材料的研制方法，系统地研究了地聚物浆料、地聚物浆料与聚苯乙烯泡沫颗粒的混合比和压缩比对保温材料的导热系数、密度等性能的影响。
1 试验
1.1 主要原料
高岭土、粉煤灰、水玻璃、氢氧化钠、聚苯乙烯泡沫颗粒等。
1.2 试验仪器及设备
电子天平、电子可调高温马弗炉、电热恒温鼓风干燥箱、液压机、砂浆搅拌机、金属模具。
1.3 试验过程
1.3.1 地聚物浆料的制备
将高岭土在800 ℃下煅烧2 h 后制得具有更高反应活性的偏高岭土。称取适量的偏高岭土、粉煤灰，与一定模数的水玻璃搅拌混合，制得地聚物浆料。本地聚物浆料采用偏高岭土-粉煤灰混合粉体，一方面可以降低成本，另一方面掺加粉煤灰可以降低纯偏高岭土基地聚物浆料的黏度，使搅拌混合操作更容易进行。浆料硬化后的抗压强度不低于20 MPa，无泛碱情况即可。
1.3.2 保温材料的制备
（1）将偏高岭土-粉煤灰混合粉体与水玻璃搅拌混合均匀，加入聚苯乙烯泡沫颗粒，继续混合搅拌；
（2）将混合均匀的原料注入模具，挤压成型；
（3）保压养护24 h，脱模，脱模后再养护7 d 左右，即制得保温板材成品。
1.4 地聚物基外墙外保温材料的性能测试
本保温材料的各项性能指标按照JG 158—2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》进行测试。
2 结果与讨论
2.1 压缩比对保温材料性能的影响
压缩比，即为保温材料成型后的体积与原料注模后还未施加挤压力时的体积的比例，因为模具规格一定，所以压缩比可以简单的换算为保温材料成型后的厚度与注模后原料在模具中堆积高度的比例。不同压缩比对保温材料性能的影响见表1。
由表1 可以看出，压缩比最佳值为0.37，高于该值，则压缩不充分，致密度差，表面有孔洞缺陷；低于该值，则压缩过分，聚苯乙烯泡沫颗粒膨胀反作用力过大，一段时间后保温板的体积膨胀，结构破坏。
2.2 地聚物浆料与聚苯颗粒的混合比对保温材料性能的影响
地聚物浆料与聚苯颗粒的混合比影响着保温材料的强度和导热系数，是制备保温材料的重要参数之一。试验表明，当每升聚苯颗粒掺加48 g 以上地聚物浆料时，保温材料养护脱模后强度高，外表平整，尺寸保持良好；低于48 g 时，保温材料脱模后表面凹凸不平，放置一段时间后体积膨胀，结构破坏。保温材料密度与导热系数的关系见图1。
从图1 可以看出，随着保温材料密度的降低，导热系数降低，保温性能越好。当保温材料的密度在125~143 kg/m3 时，导热系数较小，在0.035~0.041 W/（m·K）内小幅度波动。综合考虑可以得出，当每升聚苯颗粒掺加48 g 地聚物浆料，密度控制在140 kg/m3 左右时，保温材料表面平整，材料致密，外观尺寸稳定性良好，保温性能优异。
2.3 保温材料的性能测试
制得的保温材料在具有优异的保温性能的同时，防火性能突出，达到B1 级，安全性好。本保温材料经国家建筑材料工业房建材料质量监督检验测试中心按照JG 158—2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》进行检测，检测结果均符合标准要求（见表2）。
几种保温材料明火燃烧3 min 后的外观对比见图2。
从图2 可以看出，明火燃烧3 min 后XPS、EPS 烧毁程度严重，有烧穿现象，而本保温材料外表形貌保持完好，无烧穿现象。在燃烧过程中，当明火撤去后，本保温材料无燃烧现象。
3 结语
以地聚物材料的合成原理为基础，通过调整地聚物浆料与聚苯乙烯泡沫颗粒的配比，制得了一种新型的有机-无机复合建筑外墙保温材料。当压缩比控制在0.37，密度控制在140 kg/m3 时，制得的保温材料在具有优异的保温性能，防火性能突出，各项检测结果均达到了JG 158—2004 标准的要求。同时该保温材料制备工艺简单，有利于工业化生产。
