沸石基墙体材料的孔隙结构特性分析

周 波，程向明，孟二林

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009）

沸石基墙体材料的孔隙结构特性分析

周 波，程向明，孟二林

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009）

对沸石基墙体材料的表面微观形貌进行了表征，测量了多孔介质材料的孔隙率、分形谱维数。探讨了多孔介质材料孔隙率、分形谱维数之间的关系，研究结果表明：ZBWMs样品的分形维数1＜D＜2，分形维数越大，骨架结构越明显，孔隙微观结构的精细程度越高。

孔隙；分形；微观结构；沸石

空气湿度是影响建筑室内环境舒适性的重要参数之一，对于人体健康、产品生产，物品保护等均具有重要作用。按照是否消耗人工能源，可将室内相对湿度调控方式分为主动式和被动式，为控制室内环境温湿度大都采取供暖设备、通风空调系统等主动控制方法。为控制室内相对湿度在一个相对合适的范围，必须进行除湿和加湿，主要手段包括冷凝除湿、转轮除湿、通风除湿等主动调节相对湿度的方法，上述方法虽然高效，但是能源消耗量大，该部分能源消耗占总建筑能耗的50%～60%[1]。因此被动型调节室内相对湿度的调湿材料成为国内外学者研究的热点，墙体调湿材料的研究不仅在学术上具有重要的意义，在工程应用方面也有十分广阔的前景。

墙体调湿材料属于典型的多孔材料，其显微结构为层状或微孔状，此类材料的调湿能力主要依靠其内部较多的孔道与极大的比表面积所产生的水分子吸附和脱附，故其调湿能力的强弱也取决于其孔径和比表面积的大小，即材料内部孔隙丰富、比表面积大，吸附能力则较强。沸石材料结构中存在许多空腔和孔道，一定大小的分子可以在这些孔道中自由移动，故其对气体和液体具有良好的吸附性能[2]。其中，沸石孔隙率高，比表面积大，同时因有色散力和静电力的共同作用，有极强的吸附性，理论上可吸收其自身质量2～3倍的水[3]。

在自然界中墙体多孔材料的热传导问题十分常见，墙体多孔材料具有质量轻、保温隔热性，在各个领域都得到广泛应用，但是多孔介质中的热传递机制非常复杂，不仅涉及到到材料与边界的对流换热，固相与流体间的热传导和对流换热及其与多孔材料本身结构有关。等效导热系数作为多孔介质的传热表观效果的重要参数之一，不仅与其组成材料的导热系数有关，也与其材料的微观几何结构是有函数关系，随着材料组分和结构的变化，材料的等效导热系数也发生改变。人们在过去的几十年里已经开展了许多理论和应用的研究，早期预测定形复合材料等效导热系数的模型多基于体积平均理论，仅为填充材料的体积分数，各组分的热物性有关的函数，如Maxwell模型[4]、Brugge-man模型[5]和现在应用较多的Agari模型[6]。冯勇进[7]研究了多孔材料颗粒的形状、大小及其分布特征的关系。

针对多种不同孔隙尺度的调湿材料，该文通过对沸石基墙体材料的孔隙率、分形谱维数等微观结构参数进行分析，研究了沸石基墙体材料的孔隙结构特性。为工程应用中，涉及到的墙体多孔材料的传热特性研究提供了一定的依据。

1 沸石基墙体材料的孔隙结构表征

1.1 沸石基墙体材料的孔隙结构的局域分形表征

自然界中有许多许多复杂的现象存在，具有高度的自相似或无标度性。自相似性指，一个对象的局部与整体具有成比例缩小的性质；无标度性指，以不同尺度观察一个对象，经过放大或缩小处理，其形态、表面结构、不规则性等不会发生改变的特性。无论是自相似性还是无标度性，其局部与整体在形态、表面结构等都具有成比例缩小的特性。图1是ZBWMs试样放大16 000倍和28 000倍的电镜扫描图，显示了ZBWMs试样的表面微观结构，孔隙部分，骨架部分。由图可看出，ZBWMs试样的微观表面具有自相似性，且与观察尺度不相关。

图1 ZBWMs试样SEM图

1.2 沸石基墙体材料的孔隙结构特性参数的提取

由于多孔材料表面微观结构的复杂性，显然经典的欧式几何理论是不适合用来描述多孔材料孔隙的内部结构中发生的热质迁移过程。利用此表面微观结构具有的自相似性，我们尝试以分形理论来分析多孔材料表观结构。

假定材料内任意一点处的热量传递过程只限制在以该点为中心的很小的一个区域内，在这个小区域中，将其中某个最小尺寸的孔径作为最小度量尺度Xmin，将其中可以包容四个方向的相邻孔隙面积元直径作为最大度量尺度Xmax，尺度范围为：Xmax-Xmin，度量域为：Xmax2-Xmin2。孔隙面积的平均值S，分形维数D和度量尺度X存在关系：

其中，K为线性拟合常数。

SEM扫描电镜灰度照片图是利用扫描电镜的聚焦电子束扫描材料表面时，样品表面激发出一些携带相关信息的低能级电子进行技术处理而得到的图像。图像中的明暗变化反应不同的灰度差异，笔者利用图像处理软件将SEM扫描电镜得到的灰度图通过不断调整灰度阈值的方式，同时不断实时比对阈值图与原图，分割成最佳效果的黑白二值图。经过二值化处理的灰度图像，既可真实反映原图形貌结构，还可强化材料表面孔隙的骨架结构。笔者利用Mat lab软件将二值图的信息转化为数据信息，分别用0或1来对应黑白二值图中的信息，再采用盒计数法计算得到表面面积的分形维数D。

2 结果与讨论

材料表面结构SEM图像即经过处理得到黑白二值图，其中白色为骨架部分，黑色为孔隙部分，运用mat lab软件将该SEM图形的二值像素信息转化为数据文件，即为一个由0或1两个值构成的矩阵（0表示白色，1表示黑色），再采用盒计数法（box counting method）计算剖面面积分形维数D，孔隙率Ф。该ZBWMs样品在S-X对数坐标图上，其孔隙面积的平均值和度量尺度之间满足方程（1）的线性关系式。根据分形理论这就说明ZBWMs的样品具有统计意义上的自相似性，即孔隙面积分布呈现出分形特征，线性拟合的斜率即为分形维数D。

从图2中可以看出，ZBWMs样品的分形维数1＜D＜2，分形维数越大，骨架结构越明显，孔隙微观结构的精细程度越高。1-1#ZBWM样品为山东产的天然沸石作为填料复合而成的墙体材料，其孔隙面积分形维数为分别为1.674 1，对应的表层孔隙率为75.78%；2-1#ZBWM样品为甘肃产天然沸石作为填料复合而成的墙体材料，其孔隙面积分形维数为分别为1.734 7，对应的表层孔隙率为63.15%；3-1#ZBWM样品为河南产沸石作为填料复合而成的墙体材料，其孔隙面积分形维数为分别为1.883 5对应的表层孔隙率为51.64%这与Pitchumani[4]归纳的分形维数与孔隙率的关系也一致，与物理事实相符。

3 结论

该文通过对沸石基墙体材料表面微观形貌的表征，研究了多孔介质材料孔隙率、分形谱维数等微观参数，研究结果表明：ZBWMs样品的分形维数1＜D＜2，分形维数越大，表层孔隙率越小，材料表面的孔隙微观结构的精细程度越高。

[1]常世钧，龚光彩.冷热源及建筑节能的研究现状和进展[J].建筑热能通风空调，2003，22（5）：18-23.

[2]冯孝庭.吸附分离技术[M].北京：化学工业出版社，2000.

[3]ABUSAFA A,YUCEL H.Removal of 137Cs from aqueous solutions using different cationic forms of a natural zeolite：clinoptilolite[J].Separation and Purification Technology,2002,28（3）：103-116.

[4]PITCHUMANI R.Evaluation of thermal conductivities of disordered composite mediausing of fractal model[J].Heat Transfer,1999,121：163-166.

[5]BRUGGERMAN D A G.Berechnung verschiedener physikalischer konstanten von heterogenen substanzen.I.Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mischkorper aus isotropen substanzen[J].Annalen der physik,1935,416（7）：636-664.

[6]AGARI Y,UNO T.Estimation on thermal conductivities of filled polymer[J].Journal of Applied Polymer Science，1986，32（7）：5705-5712.

[7]冯勇进.分形理论及其在多孔介质和纳米流体热导率上的应用[D].武汉：华中科技大学，2007.

Analysis on pore structure peculiarity of zeolite based wall material

ZHOU Bo,CHEN Xiangming,MENG Erlin

（School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

The surface pore structure of zeolite based wall materials（ZBWMs）,such as fractal dimensions and porosities were visually characterized by micrographs and experimental analysis respectively.Meanwhile,the relationship of surface pore structure and fractal was studied.The results show that the fractal dimensions of ZBWMs is between 1 and 2.With the increasing of fractal dimensions,the skeleton pores and the micro pore structure of porous medium become more apparent and exquisite.

pore;fractal dimension;micro pore structure;zeolite

TK512.4

A

2096-3270（2017）01-0038-04

（责任编辑：经朝明）

2016-09-18

江苏省自然科学基金项目（BK20160354）

周 波（1984-），女，江苏无锡人，博士，讲师，从事多孔介质传热传质研究，Email：188755032@qq.com。