界面耦合技术在保温材料中的应用

丁 庆， 申 天 游， 罗 安 凯， 杨 代 六， 田 先 忠， 赵 鸿 远

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 监测及试验研究所，四川 成都 610072；2.中国水电基础局有限公司国际公司，天津 武清 037100)

界面耦合技术在保温材料中的应用

丁 庆1， 申 天 游1， 罗 安 凯2， 杨 代 六1， 田 先 忠1， 赵 鸿 远1

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 监测及试验研究所，四川 成都 610072；2.中国水电基础局有限公司国际公司，天津 武清 037100)

复合材料是新材料研究的热点。而复合材料的界面结构对其性能起着至关重要的作用，对界面过渡区域的研究已经取得了很多的成果。介绍了一种基于界面研究理论的界面耦合处理技术，通过其在复合保温材料中的应用，明显地改善了保温材料的微观结构及强度性能。

界面耦合；保温材料；强度

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，人们对环境的要求越来越高。虽然国家在大力发展水电、太阳能、风电等清洁能源，但是目前仍然没有改变我国以火电为主的能源结构。为了减少化石燃料使用量，建筑结构的保温可以对节能起到很大的作用。保温材料的研究和应用，必将在未来有更大的市场和发展空间。

现阶段保温材料种类丰富，性能各异，但是存在的一个最大问题是：保温材料的强度都很差，这是由其结构、保温原理带来的天生缺陷。因为绝大部分保温材料的原理是利用空气的导热系数比较低，通过各种手段引入气体来减少热桥，从而降低其整体导热系数，但引入空气会降低材料受力时的有效截面积，从而造成其有效强度下降。

笔者所进行的研究是采用界面耦合处理技术研究改善界面作用以及对保温材料性能的影响。

1 界面及界面理论

复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化、构成彼此结合能传递载荷作用的微小区域。界面是不同于两边相态的实体，有独立的相，占一定的空间，有固定的位置，具有一定的厚度，物质的组分和能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。也就是说：两相之间并不存在截然分开的分界面,相与相间是一个逐步过渡的区域，界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。界面是材料物理、化学性质发生空间突变的二维区域,是材料中普遍存在的结构组成单元。材料的力学性能如强度、塑性、断裂韧性均与材料的界面有着非常密切的关系。材料的很多破坏和失效亦首先起源于界面，如加载应力的传递不可避免地通过界面与基体的相互作用进行。

界面是决定复合材料性能的关键因素，亦是复合材料研究领域的焦点问题。

关于界面作用机理，其主流的理论研究如下：

(1)界面浸润理论。

1963年，Zisman提出了界面浸润理论。主要观点为填充材料被基体材料良好的浸润对复合材料的性能是极其重要的，当润湿不良产生时，填充材料与基体之间的界面会产生空隙，当复合材料受力时，空隙处容易产生应力集中而使复合材料发生开裂。当完全润湿时，填充材料与基体之间的粘结强度将大于基体的内聚力。根据界面浸润理论可知：改善复合材料的性能需要增加基体材料的浸润性能，在实际生活中，通常选择对填充材料表面改性的方式来改善其与基体之间的润湿性能，也可以通过改变基体组分的方式来改善其相互之间的润湿性。

(2)化学键理论。

化学键理论是指填充材料与基体材料之间通过化学反应形成共价键、或者通过既能与基体反应，也可以和填充材料反应的偶联剂形成界面。理论上可以获得最大的界面粘结能。

(3)物理吸附理论。

当填充材料与基体之间带有不同性质的电荷时，将产生静电吸引，但其作用范围仅限于原子尺寸范围内。

(4)变形层理论。

增强材料表面经过处理后，在其界面上形成一个塑性层，受力时可以松弛并减小应力，这一理论被称为变形层理论。

界面耦合技术即是基于以上理论研究，对填充材料进行处理后以最大的程度与基体材料无隙结合的一项处理技术。

2 保温材料的界面

保温材料可以大体分为无机保温材料、有机保温材料和复合保温材料。

2.1 无机保温材料

2.1.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。泡沫混凝土具有轻质、保温隔热性能好、隔音耐火性能好、低弹减震性好、生产加工方便、环保性能好、施工方便等优良的综合性能，是我国无机保温材料中应用最为广泛的材料之一。但是，泡沫混凝土依然存在强度较低、易开裂、开裂后吸水严重等问题。

2.1.2 无机保温砂浆

无机保温砂浆是以低密度多孔无机颗粒、粉末或短纤维为轻质骨料，通过添加一定的胶凝材料及其他多元复合外加剂，按一定比例、经一定工艺制成的保温抹面材料。无机保温砂浆具有质轻、隔热、保温、不燃、抗老化、耐腐蚀、耐虫蛀、对人畜无害等优良特性，以及施工方便和价格便宜等优势。但是，由于其尚存在一些问题，比如材料容重稍差、保温隔热性能稍差、吸水率较大、和易性稍差等，在一定程度上限制了它的应用。

综上可以看出：无机保温材料强度较差，吸水率较大，保温性能一般。既使采用闭孔的空心玻璃微珠或粉煤灰漂珠，以及无机/有机复合胶材，无机保温砂浆的强度、吸水率仍然改善不大。从SEM微观分析(图1)可以看出：在低放大倍数下，无机保温砂浆填充了紧密排列，宏观表现致密。然而，随着放大倍数的依次增大，可以明显地看出在填充漂珠之间存在着数量众多的空隙，表现为漂珠界面严重缺胶，当保温砂浆受到外力压迫时，胶凝材料将力传到材料内部。由于胶凝材料与填料之间为点接触，接触面积较少，相应的接触点应力很大，很容易被破坏；接触点被破坏之后，填料漂珠只承担纵轴向的受力，从而非常容易被破坏。遇水时情况类似，填料与基体之间的空隙为水分的进入和渗透留下了通道，从而导致其保温性能和耐久性下降。

2.2 有机保温材料

有机类保温材料主要来源于石油副产品，包括发泡聚苯板(EPS)、挤塑聚苯板(XPS)、喷涂聚氨酯(SPU)以及聚苯颗粒等。有机类外墙保温系统占据了我国当前外墙保温市场75%以上的份额。

在水工行业，大坝保温目前以EPS和XPS为主，也有喷涂聚氨酯应用的案例，取得了比较好的保温效果，但同样存在强度不高、抵抗外界作用力能力较弱的缺点。若在其安装或使用过程中遇到碰撞或河流漂浮物的撞击，很容易造成保温层表面破损而导致其进水，最终导致保温失效或整体从坝面被撕开。因此，在保证足够保温性能的前提下，提高其保温材料强度具有十分重要的意义。

从扫描电镜图片(图2)可以看出：硬泡聚氨酯保温材料微观结构为互相紧密排列的带壁气泡，气泡颗粒之间的微小空隙也被更小尺寸的气泡颗粒填充，形成级配良好的密堆积结构，这种微观结构有利于其内部均匀传递分布应力，提高其抵抗外力的能力。同时可以看到：每个微观球体单元上均有薄膜或开口现象，这种现象可能会造成小球体单元受力失衡，且有机材料本身抗压能力有限，进而造成硬泡聚氨酯强度有限。

3 高强复合保温材料及其性能

3.1 高强复合保温材料的制备原理

由于硬泡聚氨酯保温材料具有良好的保温能力和较高的基础强度，为了得到既能满足保温性能，又能具有较高抗外力能力的保温材料，笔者最终选择了采用硬泡聚氨酯并对其进行改性的方案。

由图3可以看出：硬泡聚氨酯由于其固有的发泡机理而造成小球单元薄壁存在开口且壁材较为软弱。为了提高强度、同时不明显削弱其保温能力，我们选择采用硬质空心材料作为填料。然而，硬质空心材料均为无机相，与聚氨酯有机相结合能力一般。直接复合得到的材料微观结果见图3，从图3可以看出：硬质空心材料在聚氨酯体系中分布，断面出现许多凹坑，表明其破碎过程中有很多硬质空心小球是被拔出而分离，说明硬质空心小球与聚氨酯基体的粘结能力一般。图3右侧的图片可以印证此结论。1 600倍放大时，可以明显地看到填充物与基体材料之间的微小间隙。

图1 保温砂浆SEM示意图

图2 聚氨酯硬泡SEM示意图

图3 硬泡聚氨酯/硬质空心球复合保温材料示意图

图4是经过表面耦合技术处理的硬质空心小球与硬泡聚氨酯复合而成的保温材料，从图4中可以明显看出：小球与基体结合的相当紧密，其表面光滑过渡，结构完整，破碎面聚氨酯基体与硬质空心小球同时发生横向断裂，说明在破坏之前，聚氨酯基体与填料的共同受力最终超过了极限而同时发生破坏，应力传导充分。微观致密的结构不仅有利于强度的提高，而且由于其整体基本完成、不存在通孔或裂缝，其抗渗能力也得到了大幅度地提高。

图4 表面耦合技术处理后的微观效果图

图5 保温材料结构模型示意图

图5为保温材料细观示意图，可以理解为胶凝材料基体与减轻(填料)成分的复合材料，减轻材料可以为空气、轻质空心材料等。图6为胶凝材料基体与减轻材料界面结合方式图。图6(a)所示基体材料与减轻材料之间为空气，表现为基体材料无法与减轻材料相结合，现在所使用的绝大部分保温砂浆材料内部均为这种结合方式，其所含空气界面层无法抵御任何外力，只能靠机械咬合力，非常容易破坏，所以，大部分保温砂浆的强度不会超过1 MPa。采用与基体相亲的材料或者对减轻材料使用偶联剂处理，均可以改善界面接触情况，如图6b及6c所示，界面层存在范德华力，氢键或者电荷作用使得界面能够承受较大的载荷。而高强保温材料在偶联界面的基础上引入的活性化学改性剂可以在保温材料基体与减轻材料之间形成新的化学交联，同时，由于存在偶联长链分子，在其受力过程中可以有有限距离的位移滑动，以保证保温材料具有一定的抗冲击性能；当受力程度增大，位移过大，超过长链分子的长度，化学键力可以保证其界面具有较强的连接，故高强保温材料具有很高的强度。而界面层如果只存在偶联作用，偶联分子极有可能在受力不是非常强的情况下被拔出而导致界面链接失效。

a.不紧密接触 b.范德华力及氢键接触

c.偶联剂接触 d.化学键接触图6 界面结合方式示意图

3.2 保温材料的性能

基于界面耦合技术研发的复合保温材料的基本性能见表1。

表1 基于界面耦合技术研发的复合保温材料基本性能表

4 结 语

对于复合保温材料来说，界面过渡区域的性能是决定其整体性能的关键。笔者通过分析认为：传统的保温材料强度差、耐用性不好的关键原因就在于其界面区域的处理不理想，存在过多的空隙气泡，严重劣化了复合保温材料的整体性能；提出了通过界面耦合技术处理复合保温材料，可以提高复合材料组分之间的亲和性，减少填料与基体之间的空隙，在不影响保温能力的情况下，能够大幅度提高复合材料的抗压强度，从而有效拓展了保温材料的应用范围。

(责任编辑：李燕辉)

2016-12-24

TV7;TV41

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1001-2184(2017)01-0064-05

丁 庆(1987-)，男，湖北孝昌人，工程师，硕士，从事水工新材料的研发及水工混凝土材料研究；

申天游(1989-)，男，重庆铜梁人，助理工程师，学士，从事水工新材料的研发及水工混凝土材料研究；

罗安凯(1985-)，男，四川成都人，工程师，硕士，从事水工混凝土材料研究；

杨代六(1973-)，男，重庆铜梁人，室主任，教授级高级工程师，硕士，从事水工新材料的研发及水工混凝土材料研究；

田先忠(1968-)，男，湖北宜昌人，副室主任，高级工程师，硕士，从事水工新材料的研发及水工混凝土材料研究；

赵鸿远(1975-)，男，四川成都人，助理工程师，从事水工混凝土材料研究.