淀粉泡沫填充地聚物保温隔热材料的制备及性能研究

姚舜祯，林世明，谭登峰，韦 平，莫羡忠

(1.广西师范学院化学与材料科学学院，广西 南宁 530001；2.南宁学院土木与建筑工程学院，广西 南宁 530200）

淀粉泡沫填充地聚物保温隔热材料的制备及性能研究

姚舜祯1，林世明1，谭登峰2，韦 平2，莫羡忠1

(1.广西师范学院化学与材料科学学院，广西 南宁 530001；2.南宁学院土木与建筑工程学院，广西 南宁 530200）

以地聚物和淀粉泡沫颗粒为原料制备了外墙保温隔热材料，研究其表观密度、抗弯性能、吸水率及保温性能。实验结果表明，该材料的表观密度在1.01~1.78g·cm-3之间，抗弯强度在2.81~1.35MPa之间，吸水率在0.67%~20.5%之间。与纯地聚物相比，添加了7.5份淀粉泡沫颗粒的地聚物复合材料其导热系数由1.99W·(m·K)-1降到1.46W·(m·K)-1。

地聚物；淀粉泡沫颗粒；保温隔热材料

为了节约能源，减少环境污染，人们开始关注新型墙体保温材料的开发和应用，我国建设部也要求各地进行墙体保温材料的大范围使用[1]。目前我国墙体保温材料大多以聚苯乙烯泡沫颗粒填充水泥砂浆保温隔热材料为主[2]，但是聚苯乙烯泡沫颗粒(EPS)材料因其易燃、发烟量大、燃烧产物毒性高等缺点而受到人们的普遍诟病[3-6]。

地聚物是一种由M2O·mAl2O3·nSiO2构成的无机凝胶材料，通常m≈1并且2≤n≤6，式中的M通常代表一种或多种碱金属[7-8]。地聚物与普通硅酸盐水泥相比具有高电阻性能、高阻燃性能、高耐酸性能和耐盐性能[9]，尤其是地聚物具有低导热系数和较好的力学性能，可以用来制备廉价而性能优越的保温基体材料[10-11]。以淀粉泡沫颗粒代替聚苯乙烯泡沫颗粒，不仅可以克服聚苯乙烯材料的缺点，而且还具有低烟、低毒、可再生和环境友好等优点。

本文以广西丰富的高岭土为主要原料制备地聚物，将其作为基体材料，以淀粉泡沫颗粒为轻质填充材料制备新型保温隔热材料，研究其制备工艺和各项理化性能。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

1.1.1 主要试剂

高岭土（工业级），水玻璃（工业级），氢氧化钠（分析纯），淀粉泡沫颗粒（工业级，粒径6~15mm，表观密度0.075g·cm-3）。

1.1.2 主要仪器

模具（尺寸100mm×100mm×10mm，实验室自制），YHGSF-10L玻璃反应釜， BS210g型电子天平，DZF-1B型电热恒温干燥箱，WDW-W50微机控制人造板万能试验机， DZDR-R导热仪。

1.2 地聚物基淀粉泡沫颗粒复合材料的制备

1.2.1 淀粉泡沫颗粒的表面改性

为了降低淀粉泡沫颗粒的吸潮性，需要对其进行表面改性。将称好的二甲基硅油倒入称好的粒径为6~15mm的淀粉泡沫颗粒中，搅拌均匀后充分干燥，使淀粉泡沫颗粒表面覆盖一层油膜，从而阻止水分进入到淀粉泡沫颗粒内部进而降低其吸潮性。

1.2.2 偏高岭土的制备及碱激液的配制

将高岭土于100℃下烘干2h后，过0.15mm标准筛，然后在850℃下煅烧4h制得偏高岭土。将氢氧化钠、水、水玻璃称量好之后，先将氢氧化钠倒入水玻璃中，再将水倒入之前盛放氢氧化钠的烧杯中。将烧杯震荡后再将烧杯中的溶液用玻璃棒移到已加入氢氧化钠的水玻璃中，确保氢氧化钠全部被移到水玻璃中。配好碱激液后，静置2h备用。

1.2.3 地聚物基淀粉泡沫颗粒复合材料的制备

先将1/3称量好的偏高岭土倒入碱激液中，用玻璃棒快速搅拌，然后再倒入大概1/3的偏高岭土，再继续快速搅拌，最后将剩下的1/3偏高岭土倒入碱激液中快速搅拌，然后倒入称好的淀粉泡沫颗粒，搅拌均匀后将碱激液和偏高岭土以及泡沫颗粒复合好的凝胶体倒入模具使其成型。注模后将模具放在干燥养护箱内，在70℃下养护4h。脱模，然后在25℃下分别养护3d、7d、28d后测试其各项性能。

1.3 测试与表征

1.3.1 试样表观密度的测试

试样单位体积所拥有的质量为试样的表观密度。试样的表观密度与试样的各项性能密切相关，并且试样的表观密度本身也是衡量试样性能的一个标准，因此本文对试样的表观密度进行了测试。先将试样用锯子分割成20mm×20mm×20mm的立方体，然后用游标卡尺对试样的长宽高进行精确测量，并记录，计算其相应精密的体积值，用电子分析天平精确称量相应试样质量，用以下公式精确计算其表观密度：

其中：ρ为试样表观密度；m为试样质量；V为立方体试样体积。

1.3.2 抗弯性能的测定

分别将养护3d、7d、28d的样品，用WDW-W50微机控制人造板万能试验机进行测定，测定标准为《GB/T 17657-1999人造板静曲强度和弹性模量测定》。

1.3.3 导热系数的测定

将测试材料用DZDR-R导热仪进行测定，测定标准为《GB/T 10294-2008绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》。

1.3.4 试样吸水性的测定

试样的吸水性是指单位质量的试样在单位时间内在水中吸收水量的多少。对于保温隔热材料来说，材料的吸水性在很大程度上影响保温隔热材料的保温隔热性能。本文以在标准条件下将试样浸入水中达限定时间后，质量的增加为试样吸水性能优劣的判定标准。具体测试方法如下：

首先将试样于烘箱60℃下烘干2h，用电子分析天平称其质量m1，然后将试样于一盛有去离子水的大烧杯中在环境温度25℃下浸泡2h，捞出用干布抹干其表面水分，用电子分析天平称其质量m2。试样吸水率按下面的公式进行计算：

式中：w为吸水率，%。

2 结果与讨论

2.1 淀粉泡沫颗粒的表面改性

图1是改性淀粉泡沫颗粒与地聚物复合试样和未改性淀粉泡沫颗粒与地聚物复合试样的对比图。从图中可以看出，经过表面改性的淀粉泡沫颗粒与地聚物进行复合后，其试样的孔洞明显比未经过表面改性的淀粉泡沫颗粒与地聚物复合的试样要少很多，并且形状也小很多，有利于表面改性后，淀粉泡沫颗粒与地聚物复合材料力学性能和保温隔热性能更好地发挥。

图1 淀粉泡沫颗粒改性前后复合试样对比图

2.3 淀粉泡沫颗粒的添加量对复合试样表观密度的影响

图2 复合材料的表观密度和淀粉泡沫颗粒用量的关系

图2为复合材料的体积密度和淀粉泡沫颗粒用量的关系图。从图中可以看出，其表观密度随淀粉泡沫颗粒添加量的增大而减小。加0份淀粉泡沫颗粒时，地聚物复合试样表观密度为1.78g·cm-3，加7.5份淀粉泡沫颗粒时，复合材料表观密度为1.01g·cm-3，表观密度减小了73%。可以看出随着淀粉泡沫颗粒增加，复合材料的密度明显下降。

2.4 淀粉泡沫颗粒的添加量对复合试样抗弯性能的影响

图3分别为养护3d、7d、28d，复合材料试样的抗弯性能与淀粉泡沫颗粒添加量的关系图。从图中可以看出，其抗弯性能随淀粉泡沫颗粒添加量的增大而减小，说明淀粉泡沫颗粒的加入使得地聚物的抗弯性能降低了。同样是在养护28d的条件下，加0.5份淀粉泡沫颗粒的地聚物复合试样力学性能为2.81MPa，加7.5份淀粉泡沫颗粒的复合材料其抗弯性能为1.35MPa，抗弯性能降低了108%。并且我们还可以看出，随着养护时间的增长，其力学性能也会随着增加。其主要原因是随着养护时间的增长，地聚物体系内部会进一步反应，使得试样的力学性能增强。

图3 复合材料的抗弯性能和淀粉泡沫颗粒用量的关系

2.5 淀粉泡沫颗粒的添加量对复合试样的导热系数的影响

图4为复合材料的导热系数和淀粉泡沫颗粒用量的关系图。从图中可以看出，其导热系数随淀粉泡沫颗粒添加量的增大而减小。未加淀粉泡沫颗粒时，纯地聚物试样导热系数为1.99W·(m·K)-1，加7.5份淀粉泡沫颗粒时，复合材料导热系数为1.46W·(m·K)-1，导热系数下降了26.4%，即复合材料的保温性能提高了26.4%。

图4 复合材料的导热系数和淀粉泡沫颗粒用量的关系

2.6 淀粉泡沫颗粒的添加量对复合试样的吸水率的影响

图5为复合材料的吸水率和淀粉泡沫颗粒用量的关系图。从图中可以看出，其吸水率随淀粉泡沫颗粒添加量的增大而增大。加0.5份淀粉泡沫颗粒时，地聚物复合试样吸水率为0.67%，加7.5份淀粉泡沫颗粒时复合材料的吸水率为20.5%，吸水率增加了29%。其主要原因是，淀粉是极性天然高分子材料，水分子亦是极性分子，当淀粉遇到水的时候，容易吸水，因此我们利用二甲基硅油对淀粉泡沫颗粒进行改性，使得淀粉泡沫颗粒的外表面生成一层非极性的油膜，以降低淀粉泡沫颗粒的吸水性。

图5 复合材料的吸水率和淀粉泡沫颗粒用量的关系

3 结论

由上述实验结果得出以下结论：以偏高岭土和水玻璃为主要原料制备的地聚物作为基体材料，添加经二甲基硅油表面改性的淀粉泡沫颗粒，制备了一种新型外墙保温隔热材料。制备得到的复合材料表观密度在1.01~1.78g·cm-3之间，抗弯强度在1.35~2.81MPa之间，吸水率在0.67%~20.5%之间。该材料具有良好的力学性能和保温隔热性能，使用淀粉泡沫代替聚苯乙烯泡沫作为填充材料，可以克服不可降解、易燃、燃烧时发烟量大、燃烧产物毒性高等缺点，是一种具有良好应用前景的新型绿色保温隔热材料。

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Preparation of Geopolymer-based Thermal Insulation Materials Filled with Starch Foam Particles and its Properties Study

YAO Shun-zhen1, LIN Shi-ming1, TAN Deng-feng2, PIN Wei2, MO Xian-zhong1
(1.College of Chemistry and Materials Science, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China; 2.College of Civil Engineering and Architecture, Nanning University, Nanning 530001, China)

Geopolymer-based thermal insulation material was prepared applied kaolin clay, sodium silicate and starch foam particles as raw materials. The apparent density, folding strength, water absorption and thermal insulation of the thermal insulation materials were investigated. The experimental results showed that the apparent density was 1.01~1.78g/cm3, the folding strength was 2.81~1.35MPa, and the water absorption was 0.67%~20.5%. Furthermore, the thermal conductivity coeffcient of the composites was decreased from 1.99W/m.K to 1.46W/m.K when the addition of starch foam was 7.5 % compared to pure geopolymer.

geopolymer; starch foam particles; thermal insulation materials

TU 55+1.3

A

1671-9905(2016)04-0010-04

广西科学研究与技术开发计划课题（桂科能14123006-27）；南宁市科学研究与技术开发计划项目及南宁市邕宁区科学研究与技术开发计划项目

莫羡忠（1959-），男，壮族，博士，教授，从事高分子材料研究工作

2016-02-23