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新型低碳墙体保温膏的制备和性能
付凤华1，朱惟德1，刘连晓1，程齐利1，杜鉷2
（1.上海大学材料科学与工程学院，上海201800；2.上海赛帕化工科技有限公司，上海201800）
随着生产力的快速发展，全球对能源的需求日益增大。在不断增大的总能耗中，建筑相关能耗（包括建筑能耗、生活能耗、空调能耗等）已经超过工业成为第一能耗大户，占总能耗的46.7%[1]。建筑节能已成为关乎国计民生的大问题，是节约能源的重要组成部分。近30 年来，发达国家致力于建筑节能的研究和应用，取得了巨大的社会和经济效益[2-3]。然而，目前我国在建筑节能方面远落后于发达国家。面对能源紧缺和环境污染，国务院正式颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020 年）》，把建筑节能与绿色建筑列为优先发展领域。
传统的有机泡沫保温材料虽然保温效果较好，但力学强度较低、耐老化性能差、易开裂、施工繁琐、易燃烧，且燃烧时产生大量的有毒烟气污染环境，限制了其进一步的研究和应用。传统无机硅酸盐保温材料，一般采用水泥、石灰膏等作为胶凝材料，强度较高，但存在保温效果差、硬化时间较短、收缩性大等问题[4]。本文采用有机、无机复合方法和大小粒径复配技术，以粘结性能优异的无机粘结剂为主要胶凝材料，优选少量成膜增韧剂，以闭孔膨胀珍珠岩和填充惰性气体的空心陶瓷微珠为主要保温骨料，以氢氧化铝和轻烧粉作为无机阻燃剂，添加少量抗裂纤维和其它助剂，制备出力学性能优异的低碳绿色保温材料，有效弥补有机泡沫保温材料和常用水泥基保温材料的不足。研究了无机粘结剂与有机成膜剂掺量及配比、闭孔膨胀珍珠岩颗粒级配及表面活性剂掺量对保温膏保温效果和抗折强度的影响。
1 试验
1.1 原材料
无机粘结剂：高黏土，200~500 目，南京团结白土厂；成膜剂：硅丙乳液，江阴国联化工有限公司；闭孔膨胀珍珠岩：Ⅰ型、Ⅱ型膨胀闭孔珍珠岩，上海赛帕化工科技有限公司，2 种闭孔膨胀珍珠岩的物理性能见表1；空心陶瓷微珠：300 目，填充惰性气体，上海格润亚纳米材料有限公司；钠基膨润土：粒径95 目，信阳市港虹保温材料有限公司；表面活性剂：OP-10；其它无机填料：OK 粉、轻烧粉、氢氧化铝，均为市售工业品。
1.2 试样制备
将称量好的硅丙乳液、表面活性剂和工业用水加入搅拌机中高速搅拌（1000 r/min）制成a 组分；将称量好的无机粘结剂、2 种闭孔膨胀珍珠岩、空心陶瓷微珠以及其它无机填料低速搅拌混合均匀制成b 组分（搅拌速度200 r/min）。将b 组分加入到a 组分中，低速搅拌混合均匀，加水调整保温膏稠度，混合搅拌10~20 min 制得隔热保温膏。浇筑成型，规格为15mm×15 mm×3 mm，在标准养护箱养护24 h 脱模，置于标准养护室中养护7 d 后进行性能测试。
1.3 性能测试
导热系数采用杭州大华仪器制造有限公司生产的YBF-2 型导热系数测试仪进行测试。
抗折强度参照GB/T 5486.2—2001《无机硬质绝热制品试验方法力学性能》进行测试。
2 结果与讨论
2.1 高黏土掺量对保温膏性能的影响（见图1）
粘结剂用量对保温材料保温效果和抗折强度有较大影响[5]。从图1 可以看出，当高黏土掺量低于9%时，保温膏的导热系数缓慢增加，抗折强度增加趋势较明显；高黏土掺量超过9%以后，保温膏的导热系数显著增加，抗折强度变化不明显。高黏土是一种天然的水合铝镁硅酸盐，具有独特的三维空间链式结构，对无机陶瓷微粒具有很强的粘附力。高黏土粒径在200 目～500 目，颗粒表面比较圆滑，具有良好的形态效应，掺入保温膏中能够起到滚球润滑作用，并不增加甚至减少拌合物的用水量，起到减水和改善施工性能的作用。高黏土本身具有较高的力学强度，在保温膏固化过程中有效地包裹在保温骨料颗粒表面，在保温膏内部形成互穿网络结构，增加保温膏的密实度，大幅度提高保温材料力学强度的同时导致保温膏导热系数上升，影响其保温效果。要获得较好的力学强度和保温效果，需使高黏土的水化产物刚好包裹在保温颗粒表面，但不充实颗粒间隙。综合保温膏的保温效果和抗折强度，高黏土掺量以5%~9%为宜。
2.2 硅丙乳液掺量对保温膏性能的影响（见图2）
硅丙乳液具有耐候性、防水性和耐高低温性[6]，在保温膏固化过程中能够形成聚合物网络结构，提高材料力学性能和防水、抗裂性能。从图2 可以看出：（1）保温膏导热系数随着硅丙乳液掺量的增加而上升，掺量为6%时达到最大值，乳液掺量超过6%之后，乳液增加导热系数反而降低；（2）乳液掺量低于6%时，抗折强度随着乳液掺量提高线性增大，乳液掺量超过6%以后抗折强度增大趋势变缓。硅丙乳液在保温骨料颗粒表面形成的聚合物网络与高黏土硬化体相比，具有较低的弹性模量，受到外力冲击时可以通过弹性变形吸收一定能量，提高材料抗折强度，减少微裂纹的产生。当乳液用量较少时，乳液不能在保温膏中形成连续的聚合物网络结构，骨料颗粒间存在较多的微小密闭孔隙结构，导热系数和抗折强度较低；随着其掺量的增加，网络结构不断形成，材料的密实性增加，宏观表现为导热系数和抗折强度的提高；但继续增加乳液掺量，硅丙乳液与表面活性剂的相互作用增强，表面活性剂吸附在乳液表面，引入无数微小、密闭的孔隙结构，这种密闭的微孔结构随着乳液与表面活性剂作用的增强而增多，改善材料施工性的同时，极大地降低了保温膏的密度，提高其保温效果。增加的乳液在保温膏中形成了较好的粘结网络骨架，使保温膏仍保持较好的抗折强度。同时，硅丙乳液引起的气泡轴承效应，加上聚合物中的表面活性剂的分散作用，使保温膏的流动性明显改善，且随着乳液用量的增加而愈加容易流动[7]。但是，乳液用量过多，一方面会造成经济成本提高，另一方面使材料的阻燃性降低。综合各方面性能，硅丙乳液掺量以7%~8%为宜。
2.3 高黏土与硅丙乳液配比对保温膏性能的影响
本试验通过调整无机高黏土和有机硅丙乳液配比，确定其最佳复合比例，在获得高保温效果的同时确保材料具有较好的抗折强度，试验结果见图3。
从图3 可以看出：（1） 随着高黏土在粘结剂中掺量的增加，保温膏导热系数先下降后上升，高黏土掺量超过60%以后，导热系数线性增加；（2）高黏土掺量低于60%时，保温膏抗折强度随高黏土掺量的提高而线性增大，在掺量为60%时出现最大值，继续增加高黏土掺量，保温膏抗折强度反而下降。高黏土本身对无机陶瓷颗粒具有较强的粘附作用，并具有良好的“形态效应”和“微集料效应”，能够有效提高材料粘结强度，增加材料密实度；同时高黏土本身弹性模量较大，具有较大的脆性，其水化产物受到外力冲击时易发生断裂。高黏土掺量较少时，硅丙乳液是胶结材料的主体部分，大量的硅丙乳液在保温骨料颗粒周围形成聚合网络结构，并填充在保温骨架的空隙之中，高黏土掺量增加，硅丙乳液用量则相应减少，乳液成膜后仅包裹保温骨料颗粒而较少充实保温骨架间的空隙，使保温膏孔隙率提高，导热系数降低。高黏土在粘结剂中掺量超过20%以后，硅丙乳液作用减弱，高黏土用量的增加有效提高了保温膏体的密实度，使得抗折强度和导热系数同时提高。但高黏土掺量超过60%以后，继续增加其用量，硅丙乳液作用不明显，不能够形成整体贯穿的聚合物网络结构，保温膏宏观表现为脆性，抗折强度降低。综合保温膏各方面性能，高黏土占粘结剂总量以60%为宜。
2.4 闭孔膨胀珍珠岩颗粒级配对保温膏性能的影响
闭孔膨胀珍珠岩是该保温膏的主要隔热保温骨料，来源广泛、价格低廉，具有封闭细孔结构（孔径大多为微米级或亚微米级），能有效降低保温材料密度，改善保温效果。本文选用2 种粒径不同的闭孔膨胀珍珠岩，通过颗粒级配达到降低导热系数、提高保温膏抗折强度的目的。闭孔膨胀珍珠岩颗粒级配对保温膏性能的影响见图4。
由图4 可知，随着Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩在珍珠岩总量中比例的提高，导热系数和抗折强度均出现降低趋势，Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩用量为90%时，导热系数可降至0.048 W/（m·K），超过90%以后导热系数反而上升。Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩掺量超过80%以后，材料抗折强度大幅度降低，力学性能变差。保温膏骨料颗粒间存在大量细小、密闭孔隙，这种孔隙结构导热系数极低，并能够有效的吸附材料内部的气体分子减小对流作用，随着孔隙壁的增加对辐射传热的抑制作用也得以增强。Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩密实度低，增加其用量，保温骨料间的微小孔隙结构相应增加，能够有效地降低材料的导热系数。但是Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩颗粒密度小，粒径较大，其掺量的增加使得起填充和粘结作用的胶凝材料相对减少，当Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩掺量超过90%以后，胶凝材料不能形成有效的空间粘结网络结构，保温材料内易形成开口空隙，气体出现对流现象，保温膏导热系数反而增大。同时胶凝材料相对不足造成材料力学性能大幅度下降，甚至出现“松散”状态。确定珍珠岩颗粒级配，相同的骨料掺量所需较少的胶凝材料就能够达到所要求的力学性能，避免大量胶凝材料填充空隙，损害保温效果，增加经济成本。综合保温膏各方面性能，Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩占珍珠岩总用量80%时保温颗粒实现了较好的级配，所需粘结剂用量较低。
2.5 表面活性剂用量对保温膏性能的影响（见图5）
由图5 可知，随着表面活性剂OP-10 用量的增加，材料导热系数和抗折强度均出现明显下降的趋势，OP-10 用量达到0.375%以后下降趋于平缓。OP-10 是一种非离子型表面活性剂，在保温膏体的搅拌过程中，能够在材料中引入微小气泡，起到降低保温膏干密度、提高保温效果的作用。同时，微小密闭气泡在保温膏体内犹如无数个“滚珠”，大大改善了砂浆的施工性能，并能有效减少泌水、离析现象。随着非离子型表面活性剂掺量的增加，微小密闭气泡相应增多，保温膏密实度降低，在提高保温膏保温效果的同时使得材料抗折强度出现部分损失。综合保温膏多方面性能，OP-10 用量以0.3%~0.4%为宜。
3 低碳墙体保温膏的性能
低碳墙体保温膏的主要性能测试结果见表3。
4 结语
（1）高黏土掺量对保温膏性能具有明显影响，高黏土掺量低于9%时，保温膏导热系数缓慢增大，抗折强度增大趋势明显；超过9%以后，导热系数显著增大，抗折强度变化不明显。高黏土掺量以5%~9%为宜。
（2）随着硅丙乳液掺量的增加，保温膏导热系数在乳液掺量为6%时出现最大值；抗折强度开始时线性增加，超过6%以后增加趋势变缓。硅丙乳液掺量以7%~8%为宜。
（3）随着高黏土在粘结剂中掺量的增加，保温膏导热系数先下降后上升；高黏土掺量低于60%时，保温膏抗折强度随高黏土掺量的提高而线性增大，在掺量为60%时出现最大值；继续增加高黏土掺量，保温膏抗折强度反而下降。高黏土占胶黏剂总量以60%为宜。
（4）随着Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩在珍珠岩总量中掺量的提高，导热系数和抗折强度整体均呈现降低趋势。Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩掺量为90%时，导热系数可降至0.048 W/（m·K），超过90%以后导热系数反而上升；Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩掺量超过80%以后，材料抗折强度大幅度降低。Ⅰ型闭孔膨胀珍珠岩占珍珠岩总量以80%为宜。
（5）随着OP-10 用量的增加，保温膏的导热系数和抗折强度均出现明显下降的趋势，OP-10 用量超过0.375%以后下降趋势趋于平缓。综合保温膏多方面性能，OP-10 用量以0.3%~0.4%为宜。
