（化工过程机械专业论文）复合硅酸盐保温涂料的研究.pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 保温涂料呈纤维稠状膏体，它综合了涂料及保温材料的双重特点，能减少热量的 损失。将它涂抹在要求保温的设备管道或建筑物表面，干燥后形成有一定强度及弹性 的保温层，设备运转或震动均不会开裂脱落，建筑物可达到装饰与保暖的双重效果。 本文以硅藻土和海泡石为主要原料，加入其他添加剂，制成一种复合硅酸盐保温 涂科。配方中用有机硅替代了传统的水玻璃做粘结剂，并加入少量阻燃剂，改善了市 场上现有涂料防水性差、易燃等缺点并通过实验确定了硅藻土和海泡石的最佳配比 为3 0 ：1 0 。 本文通过大量的数据研究了各种因素对涂料保温性能的影响，主要包括：( 1 ) 不 同粘结剂对涂料保温性能的影响：( 2 ) 不同涂层厚度对涂料保温性能的影响；( 3 ) 使 用温度对涂料保温性能的影响；( 4 ) 保温涂料的施工工艺。 实验结果表明：( 1 ) 粘结剂因素对保温涂料的性能影响很大，有机粘结剂在成膜 性、绝热性方面优于一般无机粘结剂；( 2 ) 涂层的厚度增加可提高涂料的保温性能， 但应根据实际需要选取合适的涂抹厚度，一般情况下可涂抹4 - 5 r a m 厚：( 3 ) 随着使用 温度的升高，涂料的导热系数增加；( 4 ) 原料中海泡石、硅藻土、甲基纤维素、有机 硅树脂的最佳配比为；3 0 ：1 0 ：3 0 ：3 0 ：( 5 ) 此种涂料的缺点为：固化时间长、收缩率大； ( 6 ) 此种涂料不适用于保冷工程。 关键词：绝热，保温材料，导热系数，涂料 西北大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ec o m p o s n 卫s c m i n s u l 蛆1 0 nc o a t i n g s a b s t r a c t i n s u l a t i o nc o a t i n g , w h i c hc o m b i n e st h ed u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o a t i n ga n d i n s u l a t i o nm a t e r i a l s , j st h i c kl i k ef i b e rp a s t e i tc a r tb ec o a t e do i lt h ee q u i p m e n to rb u i l d i n g s u r f a c et h a ti n s u l a t i o nr e q u i r e d , a n dal a y e ro fc e r t a i ns t r e n g t ha n df l e x i b i l i t yi sf o r m e da f t e r d r y i n g t h el a y e r w i l ln o tc r a c ko rp e e lw h e nt h ee q u i p m e n ti sw o r k i n go rs h o c k i n g , a n dt h e d u a le f f e c to fd e c o r a t i o na n di n s u l a t i o no fb u i l d i n g sc a l lb ea c h i e v e d d i a t o m i t ea n ds e p i o f i t ea l ea st h em a i nr a wm a t e r i a l si nt h i se x p e r i m e n t , m i x e dw i t h o t h e ra d d i t i v e s rac o m p o u n ds i l i c a t ei n s u l a t i o nc o a t i n gw a sm a d e s i f i c o n ew a su s e da s a d h e s i v et or e p l a c et h et r a d i t i o n a la d h e s i v eo fw a t e r9 1 a 鼹，a n das m a l la m o u n to ff i r e r e t a r d a n tw a sa d d e d , w h i c hc a ni m p r o v et h ee x i s t i n gc o a t i n g sj nt h em a r k e tt h a ta r e f l a m m a b l ea n dh a v ep o o rp r o p e r t i e so fw a t e r p r o o f t h r o u g hav a r i e t yo fe x p e r i m e n t s ，t h e b e s tr a t i oo fd i a t o m i t ea n ds e p i o l i t ew a sd e t e r m i n e da s3 0 ：1 0 v a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c tt h et h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t i e sw e r er e s e a r c h e dt h r o u g ha l o to fe x p e r i m e n t a ld a t ao fc o a t i n g s ，i n c l u d i n g ：( 1 ) t h e r m a li n s u l a t i o np r o p e r t i e so f d i f f e r e n ta d h e s i v ef o rt h ec o a t i n g ( 2 ) h o wd o e st h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n ga f f e c t i n s u l a t i o np r o p e r t i e so fc o a t i n g s ( 3 ) t h er e l a t i o n s h i po ft e m p e r a t u r ea n di n s u l a t i n g p r o p e r t i e so ft h ec o a t i n g , ( 4 ) t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fi n s u l a t i o nc o a t i n g , t h er e s u l t ss h o w e d ：( 1 ) a d h e s i v ef a c t o r ss i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ep r o p e r t i e so ft h e r m a l i n s u l a t i o nc o a t i n g s o r g a n i cb i n d e ri ss u p e r i o rt ot h eg e n e r a ln a t u r eo fi n o r g a n i cb i n d e ri n t h ep r o p e r t i e so ff i l ma n di n s u l a t i o n ；( 2 ) c o a t i n gt h i c k n e s sc a ni m p r o v et h ei n s u l a t i o n p r o p e r t i e sb u ti ts h o u l db ea p p l i e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d s u s u a l l y4 - 5 r a mi se n o u g h ( 3 ) w i t ht h et e m p e r a t u r er i s i n g , c o a t i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e ( 4 ) t h eb e s tr a t i oo f d i a t o m i t e , s e p i o l i t e ，c m c ，a n do r g a n i cs i l i c o n ew a sd e t e r m i n e da s3 0 ：1 0 ：3 0 ：3 0 ( 5 ) t h e w e a kp o i n t so ft h i sc o a t i n gi st h a ti tw i l lt a k eal o n gt i m ef o r t h el a y e rt ob es o l i d i f i e da n di t h a sab i gc o n t r a c t i l i t y ( 6 ) t h i sk i n do fc o a t i n g si sn o ts u i t a b l ef o rc r y o g e n i cp r o j e c t s k e yw o r d s ：t h e r m a li n s u l a t i o n ，i n s u l a t i n gm a t e r i a l ，h e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t ，c o a t i n g s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：迷致巍指导教师签名：鱼! 堡垦 年b 6 月。2 ) 日 彻7 年月) 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名 胡4油吣 1，、j口 西北大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 本课题的研究目的及意义 伴随着世界经济的发展与人们生活质量的提高，能源消耗越来越大，而能源决定 着国民经济的命脉，所以能源竞争日趋激烈，节能问题也被更加重视。在能耗中，热 损耗占有相当的比重，因此，保温材料的发展在这几年也变得热了起来，尤其是保温 涂料，由于其显著优点，市场非常看好 保温涂料综合了涂料及保温材料的双重特性，与传统保温材料相比，具有以下优 点【l l ：( 1 ) 导热系数低，保温效果显著；( 2 ) 可与基面全面黏结，整体性强，特别适 用于替代保温材料难以解决的异型设备保温；( 3 ) 质轻、层薄，使用于建筑内保温相 对提高了住宅使用面积；( 4 ) 阻燃性好，环保性强；( 5 ) 篪工相对简单，可采用人工 涂抹的方式进行；( 6 ) 材料生产工艺简单，能耗低。完全由涂刷保温涂料替代做保温 层的办法已经进入实际阶段，这将改变传统的保温方式保温涂料近几年在我国发展 较快，特别是硅酸盐保温涂料 复合硅酸盐保温涂料是当前应用最广泛的保温涂料。这类保温涂料最初以松解过 的海泡石作为主要原料，以水玻璃为主要黏结剂。后来除海泡石外，还加入大量的膨 胀珍珠岩、膨胀蛭石、漂珠、粉煤灰、硅藻土、石棉、玻璃棉、矿棉、硅酸铝纤维等； 所用黏结剂也由单一的水玻璃发展为石膏( 常温) 、水泥( 常温) 、高铝水泥( 中温) 、硅 溶胶( 高温) 等复合使用。此外，还通过加入各种外加剂来改善涂料性能，如流动性、 硬化性、憎水性、耐高温性、反射性等。经过机械打浆、发泡、搅拌等工艺制成膏状 保温涂料。 我国有上百家研究单位和企业进行过复合硅酸盐保温涂料的研究工作，大部分研 究工作相互独立进行，因而所用配方、生产工艺、施工方法及产品性能也各式各样。 近2 0 年来，发表的该类论文有上百篇，申请该类专利的也有5 0 多项国家质量技术监 督局于1 9 9 8 年5 月发肴j 了硅酸盐复合绝热涂料国家标准( g b t 1 7 3 7 1 1 9 9 8 ) ，这就为 复合硅酸盐保温涂料的生产和应用提供了一个可供参照的技术标准。受历史和社会经 西北大学硕士学位论文 济条件等因素的影响，成本较低的复合硅酸盐保温涂料在我国发展很快，达到世界先 进水平，但其主要用作工业保温涂料，如高温管道保温，或者锅炉、窑妒等的外壳保 温1 2 1 。随着人民生活水准的提高和我国对于建筑物保温节能工作的政策性指导，保温 涂料将会更多地用于建筑物内墙的保温隔热。近年来，复合硅酸盐保温涂料用于建筑 内保温得到了逐步的认可和较大面积的使用，但仍存在着尚待解决的问题和自身材料 结构带来的缺陷。主要表现为1 3 1 ：( 1 ) 干燥周期长，施工受季节和气候影响大；( 2 ) 抗冲击能力弱；( 3 ) 于燥收缩大，吸湿率大；( 4 ) 对墙体的黏结强度偏低，施工不 当易造成大面积空鼓现象；( 5 ) 装饰性有待于进一步改善，等等。因此，应充分利 用我国在这方面所取得的技术优势，花大力气提高此类涂料的综合性能，使之用于建 筑隔热保温。 国内外研究表明：热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导三种途径来实现的 h 。对于保温涂料而言，热传导主要由保温涂料中的固体部分来完成；热对流则主要 由保温涂料中的空气来完成：热辐射的传递不需要任何介质。因此要获得良好的隔热 保温效果，一是要在保持足够机械强度的同时，材料的体积密度要极端的小；二是要 将空气的对流减弱到极限；三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性使热辐射 经反射、散射和吸收而降到最低。为了获得性能更好的保温涂料，国内外工作者进行 了大量的研究主要根据上述隔热机理，对主要原材料的品种和性能作了很大的改进， 使涂料及涂层技术不断更新换代。绿色、环保、薄型涂料是保温涂料的发展方向之一 本课题正是基于以上原因而进行的专门研究，其日的是为了充分、有效地开发和 利用保温材料资源，研制出优质的新型保温涂料，并应用于生产实际，为我国工业的 发展及社会主义建设做出应有的贡献。 1 2 本文的主要工作 本文在阅读了大量国内外文献的基础上，阐述了材料保温的原理；综合研究考察 了各种现有保温材料和保温涂料的性能和特点；重点说明了复合硅酸盐保温涂料的国 内外研究现状和发展趋势及在各行业的应用。 通过不同的配方设计，研究了复合硅酸盐保温涂料中填料的最佳配比、制作工艺 西北大学硕士学位论文 条件和应添加何种添加剂；按照国家标准对所做涂料进行了各种性能测试；通过所得 实验数据对各种成分对涂料保温性能的影响一做了分析：并就其他因素，如：涂层 厚度、使用温度等条件对涂料保温性的影响做了重点分析 为响应国家建设节约型社会的号召，促进复合硅酸盐保温涂料的应用和推广，本 文还分析了此种保温涂料在各行业的应用，重点分析了在建筑节能行业的应用前景。 1 3 本文的创新之处 为克服市场上现有保温涂料耐水性差、通常达不到防火要求等缺点，本实验尝试 用有机硅树脂做粘结剂代替常用的无机粘结剂，取得了较好的成膜及防水效果；另外 在配方中添加了少量阻燃剂以增强涂料的防火性能 西北大学硕士学位论文 2 1 保温技术原理 第二章文献综述 弟一早义陬综硷 2 1 1 热量传输的基本概念 在自然界和许多生产领域中，热量传输是非常普遍的现象。按照热力学第二定律， 在固体内部有温差的地方，就有热量自发的从高温物体向低温物体转移，这种由温度 差引起的热量转移过程统称热量传输，或称为传热嘲 研究热量传输不仅要探求热量传输的物理本质，更重要的是研究热量传输的速 率。热量传输有三种形式，即导热，对流和热辐射，而本文所研究的主要是导热。 _ 如果温度场随时间而变化，即：0 1 = 一o ，则称为不稳态温度场。不稳态温度场中的 o 热量传输过程称为不稳态传热，如果这时候热量传输以导热方式进行，称为不稳态导 热。例如钢锭和铸件的凝固，钢材的加热和冷却都属于不稳态导热过程反之，若温 ，个 度场不随时间而变化，即兰- 0 ，则称为稳态温度场。稳态温度场中的热量传输过程 0 i 称为稳态传热，稳态温度场中的导热过程称为稳态导热。高炉和连续加热炉在正常工 作时，炉内和炉墙内温度分布可近似地视为稳态温度场【6 1 因此通过炉墙的导热可近 似看作稳态导热。 根据温度场和空间坐标的关系，温度场又有三维，二维和一维之分。 2 1 2 绝热的基本概念 绝热，就是最大限度地阻抗热流的传递。因此就要求绝热材料具有较小的导热系 数、换热系数和辐射换热系数，或由绝热材料组成的保温或保冷层具有较高的热阻值。 绝热材料通常都是多孔体和纤维型材料门在多孔材料中，因空隙内充满导热系 数很低的空气，故这种材料的导热实际上是基于材料与气孔传热的综合，它既包括基 本材料的导热，也包括气孔中气体的导热，以及气孔中对流和辐射的作用材料中气 西北大学硕士学位论文 孔越多越细，其导热系数越低。随温度的升高，因空隙中对流和辐射的作用加强，其 导热系数也随之增加。有些材料。如木材、石墨等，在不同方向上性质不同，具有各 向异性的特点，因而在不同方向上的导热系数也各不相同本文所研究的复合硅酸盐 涂料中硅藻土、海泡石和甲基纤维素属于绝热材料。 2 1 3 影响材料保温性能的因素 物体的导熟系数不但与物质的种类有关，而且与物质的结构、密度、成份、温度 等因素有关由于影响导热系数的因素很多，因此各种物质的导热系数一般由实验测 定。在影响导热系数的各因素中，温度的影响尤为重要。从导热机制看，材料的导热 系数主要受到如下因素的影响嘲： ( 1 ) 材料的组成与结构 有机高分子材料的导热系数小于无机材料。无机材料中，非金属的导热系数小于 金属材料，气态物质的导热系数小于液态物质，液态物质小于固体。 ( 2 ) 表观密度 表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。其体积既包括固体部分的体 积又包括孔隙的体积。在低温状态下，孔隙中的气体可以看作是无对流的静止气体， 仅有导热，没有对流换热由于静止空气的导热系数比固体的导热系数小，所以，随 着孔隙率的提高或表观密度的降低，其导热系数变小。对于多孔材料，假设固体部分 的导热系数为丸，气体部分的导热系数为九，孔隙率为p ，则其总体导热系数一般 介于k 与k 之间。 a一-一(一t)p(2-1) k 。石警砺 q 彩 由以上我们可以看出，材料的导热系数并不是随着表观密度的减小而无限降低 的。当表观密度小于某一个临界值后，由于孔隙率太高，空隙中的空气开始产生对流， 同时由于气体对热辐射的阻抗能力很低，如果孔隙率过高，辐射传热也相应加强，这 时材料的总传热系数反而增大。如下图所示： 西北大学硕士学位论文 曩l 泣 警， s t l , t 4 1 密度k 酌一 圈2 - 1 材料密度与导热系数的关系 对于多孔绝热材料，只有当材料导热系数a 、对流换热系数口。、和辐射换热系数 三者之和最小时，才具有最好的绝热性能。此时材料的表观密度称为最佳密度 ( 3 ) 孔隙的大小与特性 在表观密度相同的条件下，孔隙的尺寸越小，导热系数越小。当孔径小至一定尺 寸后，空气将完全被气孔壁吸附，孔隙接近于真空状态，导热系数降到最小。当孔隙 体积大到一定程度，孔隙内部空气出现对流，导热系数变大对于相同孔隙率和孔径 尺寸，当孔隙彼此连通时，导热系数较大；当孔隙彼此密封时，导热系数较小。 ( 4 ) 湿度 水的导热系数比静止空气的导热系数大得多，因此，材料的孔隙吸水后或材料的 平衡含水率提高，导热系数相应增大 ( 5 ) 热流方向 如果材料是各向异性的，则在不同方向上的导热系数也各不相同，甚至差别很大 所以，为降低材料的导熟系数必须尽可能的减小热流方向性的影响。 ( 6 ) 温度 由于辐射传热的影响，多孔材料的导热系数一般随着温度的升高而增大。二者的 关系如下： a一九+6(2-3) 式中： 九常温下的导热系数。( m k ) ； 掌鲁摹t蔓尹肆 西北大学硕士学位论文 6 系致； 内外表面的平均温度， 但对于多孔固体材料的辐射传热，可以通过增加孔隙壁的数量来增大热阻这与 孔隙体积较小有利于防止对流传热是一致的所以，材料的孔隙率越大，尤其是体积 小而且封闭的孔隙越多，对降低材料的导热系数越有利 通过以上对影响材料导热系数的因素的分析可以知道，要使得材料的绝热性能提 高可以通过以下途径： j ( 1 ) 尽量降低材料的表观密度，使其表观密度符合绝热最佳密度； ( 2 ) 尽量采用有机高分子材料和无定形的无机材料； ( 3 ) 在材料的表观密度尽可能达到绝热最佳密度时，应尽可能增加材料内部孔隙 数量，孔隙细小，呈封闭状态，通过孔隙壁对孔隙内的气体分子吸附作用，而使孔隙 内能自由运动的气体分子数量尽可能小； ( 4 ) 材料中使用纤维时，应尽量减小纤维的直径，避免形成热流方向的不利影响。 2 2 保温绝热材料的分类及简介 绝热材料系指不易传热的、对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。其热导 率一般小于0 1 7 4 w 缸k ) 。绝热制品系指被加工成至少有一面与被覆表面形状一致的 各种绝热材料的成品( 毡、带、板、管等) 绝热材料按化学性能分类，可分为无机非金属材料、有机高分子材料和金属材料 三大类；按状态分类，可分为纤维状、微孔状、气泡状、层状四大类【们当然，还有 天然和人造之分。绝热材料的种类很多，主要的绝热材料分类见表2 - 1 。 表2 - 1 主要绝熟材料分类 天然石棉、海泡石 纤维状无机人造 矿棉( 矿渣棉、岩棉) 、玻璃棉、硅酸铝纤维，氧化铝纤维、 奠来石纤维 有机天然木纤维、草纤维 西北大学硕士学位论文 微孔状无机天然硅藻土 人造 微孔硅酸钙 无机人造 膨胀珍珠岩、膨胀蛙石，泡沫硅、泡沫玻璃、粉煤灰微珠 气泡状人造软木 有机 天然泡沫塑料( 聚苯乙烯，聚氨脂、聚氯乙烯等) 、泡沫橡胶、 钙塑制品 层状金属 人造铝箔 下面就来分别介绍各种主要的绝热材料 2 2 1 岩棉、矿渣棉及其制品钾 岩棉是以天然岩石如玄武岩、辉绿岩、安山岩等为基本原料，经过熔化、纤维化 而制成的一种无机质纤维。矿渣棉是以工业矿渣如高炉矿渣、磷矿渣、粉煤灰等为主 要原料，经过重熔、纤维化而制成的一种无机质纤维。 上述纤维经过加工，可制成板、管、毡、带、纸等优质耐高温绝热制品，用于建 筑和工业装备、管道、容器、及各种窑炉的绝热、防火、吸声、抗震 ( 1 ) 岩棉、矿渣棉的化学成分 岩棉、矿渣棉的主要化学成分是s i 0 2 和m g o ，次要成分为f c 2 0 3 。f e o ，1 i 0 2 ， k 2 0 ，n a 2 0 等。 ( 2 ) 岩棉、矿渣棉的物化性能 岩棉、矿渣棉的表面结构与有机纤维不同，前者表面呈光滑圆柱状，截面往往是 圆形，后者表面往往带不规则的皱纹图形。矿渣棉、岩棉同天然石棉的外观也有差别， 后者的表面多呈绒毛状，前者则表面光滑在直径为5 8 u n 时，其抗拉强度为 1 0 - 3 0 m p a 。矿渣棉、岩棉吸湿性很小，在空气湿度为6 5 ，8 0 ，9 0 时，其吸湿 率分别为0 0 7 - 0 3 7 。0 3 - 0 5 。1 7 3 - 3 8 。 ( 3 ) 岩棉、矿渣棉制品的性能 绝热性能 导热性小是矿渣棉、岩榴制品的特性，在常温条件下( 通常为2 5 左右) 它们的 热导率在0 0 3 o 0 4 6 5 之间。 西北大学硕士学位论文 耐火性 矿渣棉、岩棉制品的耐火性取决于其中是否含有可燃性添加剂。用无机物作为粘 结剂的矿渣棉、岩棉制品，包括水玻璃、磷酸铝、粘土、膨润土、和矾土水泥等在内， 均属于不燃性制品，其使用温度可分别达到6 0 0 和9 隔音( 吸声) 性能 矿渣棉、岩棉制品具有优良的隔音和吸声性能，其吸声机理是这种制品具有多孔 性，其表面的一些孔隙可作为互相贯通面而大部分又不是密闭状态，因面近似于无数 的毛细管，并具有一定的透气性，于是形成流阻，当声波通过此处时，由于流阻的作 用产生摩擦，使声能的一部分变化为热能而损失或为纤维所吸收因此，矿渣棉、岩 棉制品实际上是一种优秀的吸声材料，特别是矿棉装饰吸音板以其良好的吸声性、不 燃性、隔热性和质轻等诸多优势，在全世界高层建筑和公共建筑物中所采用的吊顶天 花板材料中，几乎占主导地位 2 2 2 玻璃棉及其制品咖 玻璃棉是采用天然矿石如石英砂、白云石、蜡石等，配以其它化工原料，如纯碱、 硼酸等熔制成玻璃，在熔融状态下借助外力拉制、吹制或甩成极细的纤维状材料。按 生产方法玻璃棉分为三种：一种是将熔融玻璃制成玻璃球、棒或块状物，使其再二次 熔化。然后拉丝并经火焰喷吹成棉，即所谓火焰法玻璃棉：另一种是对粉状玻璃原料 进行熔化，然后借助离心力及火焰喷吹的双重作用，使熔融玻璃直接制成玻璃棉，即 所谓离心喷吹玻璃棉；第三种生产方法是将熔融玻璃借助蒸汽或压缩空气对其进行喷 吹而成玻璃棉，即所谓蒸汽( 或压缩空气) 立吹法玻璃棉，日前这种生产方法已逐 渐被淘汰。 玻璃棉制品品种较多，其基本产品有玻璃棉毡、板、带、毯和保温管。 ( 1 ) 玻璃棉的组成成分 玻璃棉的组成成分随生产方法的不同砷异。表2 - 2 列出了火焰法玻璃棉的组成成 分。 西北大学硕士学位论文 ( 2 ) 玻璃棉及其制品的基本特性 玻璃棉是将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料。其化学成分属于玻璃类，是一种 无机质纤维。具有体积密度小，热导率低，保温绝热和吸声性能好，耐热、抗冻、耐 腐蚀、不怕虫蛀、良好的化学稳定性等特性 2 2 3 石棉及绝热制品蚴 1 石棉从矿物学的角度分类看，主要包括纤维蛇纹石石棉( 温石棉) 、角闪石石棉 和水镁石石棉。温石棉产量最大，占世界石棉产量的9 4 * , ，角闪石石棉次之，水镁石 石棉最少我国开采的石棉绝大多数为温石棉，下面也仅以温石棉来讨论之 ( 1 ) 温石棉的化学成分 温石棉是一种含水的镁硅酸盐矿物，化学式为m 9 6 s i 4 0 o n 38 通常也可 写成3 m g o 2 s i 0 2 2 h 2 0 ，以表示氧化物的存在方式。其理论值为m g o ，3 8 3 5 ， s i 0 2 为3 9 6 2 。此外还含有少量铁、铝、钙、镍等元素和氧化物。 ( 2 ) 温石棉的性能 温石棉的密度 理想成分的温石棉纤维密度2 5 6 9 m 3 。实测的密度与此相差不大 热学性质 温石棉的耐热性很好，并且不燃，熔点接近1 5 0 0 c 但是当温度增高，结构水不 断析出，纤维性能将受到影响。 石棉纤维中主要有两种水存在：一是吸附水，存在于纤维的外表面，它随外界温 度和空气湿度的变化而发生变化：二是结构水，存在于晶体构造的内部，只在高温时 才被析出。我国温石棉的总失重约为1 3 1 5 1 5 0 0 ，相应的结构水量为 i i 8 0 - 1 3 1 8 。若将i 1 2 0j j ：始明显逸出的温度确定为最高使用温度，则纯温石棉的 最高使用温度均可确定为5 0 0 或略高一些( 5 5 0 ) 。 i 西北大学硕士学位论文 热绝缘性 温石棉纤维是一种良好的绝热材科。常温导熟系数为0 0 4 - o 0 7 w ( m k ) 化学稳定性 温石棉耐碱不耐酸，一般情况下，温石棉的酸腐蚀量在5 0 6 0 之间，耐碱腐 蚀量在1 0 以下温石棉耐酸性差，主要是由于m 9 0 遇酸溶解，最后只剩下硅氧四 面体骨架，彼此丧失其联结力，使纤维碎散而成粉末 抗拉强度 温石棉具有良好的抗拉强度，表2 - 3 列出了我国主要矿山温石棉抗拉强度 表2 - 3 纤蛇纹石石棉的抗拉强度 ( 3 ) 石棉制品 石棉制品有石棉纺织制品( 包括混棉、石棉纺纱、绳、布、带、被等) 、泡沫石 棉、热绝缘石棉纸和石棉板、石棉粉、石棉砖以及石棉管。 2 2 4 耐火纤维埘 耐火纤维按其结构形态分为非晶质( 玻璃态) 纤维和结晶质纤维两大类结晶质 又分为晶质纤维和混配( 纺) 纤维两种。非晶质纤维是以硬质粘土熟料或工业氧化铝 粉与硅石粉合成料为原料，采用电弧炉或电阻炉熔融，经压缩空气喷吹( 或甩丝法) 成纤。由于纤维在骤冷条件下生成，其结构形态为介稳态的玻璃体，并赋予纤维一定 强度、韧性和弹性，故又称玻璃态纤维。其化学成分主要为三氧化二铝( 3 3 - 5 5 ) 和二氧化硅，又称其为硅酸铝纤维。表2 4 列出了非晶质纤维的分类。 晶质纤维是介稳态非晶质纤维在受热条件下自发析晶，向稳态晶体转化，并生成 奠来石、方石英结晶新相，同时伴随纤维性能劣化的一种结晶质纤维。混配( 纺) 纤 维是由两种以上的纤维按一定比例配制而成，基本分为两大类。第一类为多晶氧化铝 西北大学硕士学位论文 系，由硅酸铝纤维与含a 1 2 0 3 9 5 或8 0 的多晶氧化铝纤维按不同比例配制而成。第 二类为多晶莫来石纤维系，由硅酸铝纤维与含a 1 2 0 3 7 2 的多晶莫来石纤维按不同比 例配制而成。 表2 _ 非晶质纤维分类 2 2 5 硅酸钙绝热制品渊 硅酸钙绝热制品是以氧化硅( 石英砂粉、硅藻土等) ，氧化钙( 也有消石灰、电 石渣等) 和增强纤维( 如石棉、玻璃纤维等) 为主要原料，经过搅拌、加热、凝胶、 成型、蒸压硬化、干燥等工序制成的一种新型保温节能材料它具有容重轻、导热系 数低、抗压和抗折强度高、使用温度高、施工方便、损耗率低、可重复再利用等优良 性能。按照所用原料、品种、配合比或处理条件的不同，生成的水化硅酸钙的化学物 理性能也各不相同。用做保温的硅酸钙绝热材料主要有两种不同的硅酸钙水化合物结 晶制品：一种是托贝莫来石型，主要组成是5 c a o 。6 s 1 0 2 6 h 2 0 ，使用温度为6 5 0 0 另一种是硬硅钙石型，主要组成是6 c a o 6 s i o ! h 2 0 ，使用温度为1 0 0 0 因其具有 优越的保温隔热性、高温稳定性、耐久性，已广泛用干工业设备及管道等的保温。 2 2 6 膨胀珍珠岩绝热制品f 1 5 1 膨胀珍珠岩是一种多孔的粒状物料，是以珍珠岩矿石为原料，经过破碎、分级、 预热、高温焙烧瞬时急剧加热膨胀而成的一种轻质、多功能绝热材料。 膨胀珍珠岩绝热制品包括水玻璃膨胀珍珠? 制品、水泥膨胀珍珠岩制品、及其它 西北大学硕士学位论文 膨胀珍珠岩制品。下面就来分别介绍。 ( 1 ) 水玻璃膨胀珍珠岩制品 水玻璃膨胀珍珠岩制品是以水玻璃为胶结剂，与膨胀珍珠岩混合、成型、烧制而 成的一种膨胀珍珠岩保温制品。其一般技术性能见表2 - 5 。 袭2 - 5 水玻璃膨胀珍珠岩翻品的一般性能 ( 2 ) 水泥膨胀珍珠岩制品 它是采用水泥做胶结剂制成的一种膨胀珍珠岩制品，其热导率低，密度小，价廉， 制作方便，能广泛应用于较低温度的热管道、热设备上的保温隔热。其一般性能见表 2 6 表2 _ 6 水泥膨胀珍珠岩制品的一般性能 ( 3 ) 其它膨胀珍珠岩制品 磷酸镁膨胀珍珠岩制品 以密度小于1 2 0 k g m 3 的膨胀珍珠岩做骨科，磷酸镁为胶结剂所制成的产品，其 密度为2 0 0 - 3 0 0k g m 3 。 镁质水泥膨胀珍珠岩制品 以密度小于1 2 0 k g m 3 的膨胀珍珠岩与轻烧氧化镁和级化镁溶液相混合，半干法 成型，焙烧后制成镁质水泥膨胀珍珠岩制品，其密度为2 5 0 3 0 0k g m 3 。 沥青膨胀珍珠岩制品 以密度小于1 2 0 k g m 3 的膨胀珍珠岩与沥青加热混拌均匀后热浇注制成。密度为 西北大学硕士学位论文 4 0 0 - 5 0 0 k g m 3 ，常温热导率在o 0 9 3 - 0 1 1 6 w ( m 目，使用温度为5 0 - 8 0 c 。该种制品是 一种隔热、隔气、防水的新型轻质材料。 2 2 7 膨胀蛭石保温制品【1 6 】 膨胀蛭石保温制品是以膨胀蛭石为主要原料，用石膏、水泥、沥青、水玻璃、合 成树脂等为胶结材料制成的。它们被广泛的应用于各种工业管道的保温和绝热，也用 于冷藏建筑物的隔音保冷以及礼堂、影剧院、电话室等建筑物的吸音。 根据胶结料的不同，蛭石保温制品分为以下几种 ( 1 ) 水泥膨胀蛭石制品 水泥膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石为主要材料，采用不同品种和标号的水泥为胶结 材料，加入适量的水，搅拌均匀压制成型，在一定条件下养护而成表2 - 7 列出了水 泥膨胀蛭石制品的技术性能。 表2 - 7 承泥膨胀蛭石徊品的技术性能 ( 2 ) 水玻璃膨胀蛭石制品 水玻璃膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石为主体材料，水玻璃为胶结料，加入适量的氟 硅酸钠作为促凝剂制成的制品。其技术性能见表2 8 表2 8 水玻璃膨胀蛭石制品的性能 西北大学硕士学位论文 ( 3 ) 沥青膨胀蛭石制品 沥青膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石为主要材料，沥青为胶结料，浇注压制而成沥 青膨胀蛭石制品的技术性能见表2 - 9 表2 - 9 沥青膨胀蛭石制品的技术性能 ( 4 ) 其它膨胀蛭石制品 其它膨胀蛭石制品是以膨胀蛭石为主，掺适量的石棉、硅藻土、耐火粘土等制成 的一种制品。表2 - 1 0 列出了其配比及技术性能。 表2 - 1 0 其它膨胀蛭石制品的名称、配比和技术性能 注：为1 1 0 烘干后之密度。 为温度8 0 0 1 2 ，加热4 h 后之抗压强度 2 2 8 泡沫玻璃明 泡沫玻璃是一种磨细玻璃粉为主要原料，通过添加发泡剂，经烧熔发泡和退火冷 却加工处理后，制得的具有均匀的独立密闭孔隙结构的新型无机绝挑材料。其物理化 学性质见表2 - 1 1 。 西北大学硕士学位论文 2 2 9 泡沫塑料【1 川 泡沫塑料是以各种树脂为基料，加入适量的发泡剂、添加剂、助剂，经加热发 泡而成的一种轻质、吸声、防震、隔热材料。其种类有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨脂泡 沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等它们可广泛地应用 于建筑，冷库、管道等的保温、隔热、吸音、防震。 2 2 1 0 轻质保温砖【1 9 1 轻质保温砖按原料组成分为轻质硅砖、轻质粘土砖、轻质高铝砖、轻质硅藻土砖 等。轻质硅砖是指s i 0 2 含量不小于9 1 ，气孔率要大于4 5 ，体积密度不大于 1 2 0 0 k g m 3 的硅质制品。轻质高铝砖是以高铝三等矾土熟料，a 1 2 0 3 粉为主要原料，以 粘土作结合剂，用可燃物烧失法、泡沫法制成越2 0 ，的含量在钙以上的轻质绝热制 品。轻质粘土砖是采用粘土熟料( 致密或多孔) 为主要原料，软质粘土或半软质粘土 作结合剂，以可燃物加入法、泡沫法或化学法制成的a 1 2 0 3 含量在3 0 - 4 0 ，具有高 气孔率、低导热性的耐火制品。轻质硅藻土砖采用硅藻土制成，而硅藻土体积密度为 0 1 6 - 0 7 2 9 c m 3 ，热导率o 0 3 5 - 0 0 6 w ( m k ) ( 常温) ，孔隙达9 0 9 2 ，耐火度为1 7 3 0 ， 故用它制成的轻质硅藻土砖具有很好的保温、隔热、隔音作用。 西北大学硕士学位论文 2 2 1 1 其它绝热材料 其它绝热材料包括软木保温材料制品、复合硅酸盐绝热涂料、无机纤维纸等。软 木保温材料是由栓皮树的树皮粉碎后压模，在适当的温度下烘烤而成【刎。它具有物化 性能稳定，无毒、无味、无污染、无老化现象，能耐油和稀酸，并具有吸音、隔音的 性能。复合硅酸盐绝热涂料一般采用海泡石或坡缕石为主要原料，另加一些其它无机 纤维、渗透剂、填充剂、无机与有机复合粘结剂掣2 1 1 。无机纤维纸是以无机非金属纤 维( 如玻璃纤维、硅酸铝纤维等) 为原料，施加一定量的粘结剂，采用湿法造纸工 艺制成【矧。 上而介绍了主要绝热材料的发展现状，其中无机非金属材料相对来说使用温度较 高，保温隔热好，而有机高分子材料使用温度低，保冷性好，并具有一定的防水性。 下面就专门来讨论保温涂料的研究现状 2 3 保温涂料概述 保温涂料呈纤维稠状膏体，它综合了涂料及保温材料的双重特点，涂抹在要求保 温的设备和管道表面，干燥后形成有一定强度及弹性的保温层，设备运转或震动均不 会开裂脱落这种涂料形成的保温层导热系数低，保温效果显著，特别适用于异型设 备如阀门、球体、锥体等。与传统保温材料( 制品) 相比，其优点在于【1 l ：( 1 ) 导热 系数低，保温效果显著；( 2 ) 可与基层全面黏结，整体性强，特别适用于其它保温材 料难以解决的异型设备保温；( 3 ) 质轻、层薄，建筑内保温用相对提高了住宅的使用 面积；( 4 ) 阻燃性好，环保性强；( 5 ) 施工相对简单，可采用人工涂抹的方式进行； ( 6 ) 材料生产工艺简单，能耗低。基于以上优点，保温涂料的在各行业的应用日益 广泛，节约了大量的能源。 2 3 1 保温涂料类型 根据骨料和填料的不同保温涂料可分为：复合硅酸盐保温涂料、陶瓷保温隔热 涂料、空心玻珠保温涂料、金属型铝矾土保温涂料等。按加工工艺的不同，保箍& 涂料 可分为：加热型、常温非加填型、干粉型。下面将分类对其进行简单介绍。 按原料的不同： 西北大学硕士学位论文 ( 1 ) 陶瓷保温隔热涂料 2 3 1 采用陶瓷空心微珠为填料的陶瓷隔热保温涂料是在基本的装饰、保护、防腐等功 能的基础上，利用其低导热系数、高反射率和发射率性能，反射阻隔室外太阳光线和 室内辐射热，并将进入涂层的能量辐射到外部空间，从而增大了室内外的温差，降低 了建筑物制冷取暖能耗作为一种在欧美广泛采用的新型建筑保温材料，陶瓷隔热保 温涂料因经济、使用方便和隔热效果好等优点必将越来越多地取代传统建筑涂料产 品测试表明，产品常规性能、导热系数、光反射率和涂层发射率均处于国际领先水平。 常规性能；陶瓷隔热保温外墙涂料、陶瓷隔热保温高弹外墙涂料的质量性能指标 符合g b f l 9 7 5 5 - 2 0 0 1 合成树脂乳液外墙涂料，内墙涂料、陶瓷隔热保温弹性内墙 涂料的质量性能指标符合g b t 9 7 5 6 - - 2 0 0 1 合成树脂乳液内墙涂料及 g b l 8 5 8 2 - 2 0 0 1 内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量等标准。陶瓷隔热保温涂 料导热系数o 0 5 ，可见光反射率8 0 ，半球发射率8 5 应用范围：广泛适用于混凝土、水泥、石膏板、石棉水泥底材及有腻子抹灰面的 建筑物内、外墙面 ( 2 ) 空心玻珠保温涂料【刎 空心玻珠是一种轻质、高强的空心玻璃微球，细度在几十至几百微米。一般可以 承受2 6 8 c 至4 8 2 的温度范围，具有耐水汽，不吸湿、耐腐蚀、自身不产生腐蚀、 在高温和水汽环境中自身稳定、较高的耐压强度、抗微生物侵蚀等显著优点。 由于中空的特性，与普通的玻璃微珠相比，具有质量轻、绝热性能好等特点，是 种非常理想的绝热材料由于其体积较小，相当或略大于涂料填料的细度，因而可 以以填料的方式引人涂料配方体系，使涂料固化形成的涂膜具有保温材料的共性，即 质量较轻、中空等特性 空心玻珠引人涂料能较大地增加涂料的绝热性能，得到一种新型的功能涂料该 涂料具有较为明显的节能降耗作用，可以应用于石油和炼化工业以及民用建筑中，是 一种具有广阔市场前景的涂料新品种。 ( 3 ) 金属型铝矾土保温涂料 目前有报道试制成功的一种水基铝矾土仪温涂料，能够减少金属掣的热冲击，提 高金属型的使用寿命，并能降低铸件表面租褪蠖。它是以智 矾土为骨料加入水玻璃、 西北大学硕士学位论文 焙烧石棉和其他添加剂制成，具有较高的耐热性和高温化学稳定性，可以用于金属型 铸钢、铸铁及有色合金的生产 按生产工艺的不刚硼： ( 1 ) 加热型 加热型的生产工艺特点是通过加热可以使部分原材料在生产过程中充分分散，使 需要高温溶解的原材料充分溶解。由于使用蒸汽设备，设备复杂且投资大，能耗也高。 典型的生产工艺流程如图2 - 2 所示 圈2 2 加热塑生产工艺流程 ( 2 ) 常温非加热型 这种工艺通过改进原料配方，避免了使用加热的方式。如果选用原材料及助剂较 为合适，该方法同样可以收到满意的效果。典型工艺流程如图2 - 3 所示。 图2 - 3 非加热型生产工艺流程 西北大学硕士学位论文 ( 3 ) 干粉型 粉末状保温涂料的生产是将所用无机纤维、轻质骨料以及秸结剂等粉末状原材料 以干态形式一起混合均匀，或者分为两组，各自混合均匀再分别包装。生产工艺简单， 产品运输储存方便，使用时现配使用。 本文的研究重点为复合硅酸盐保温涂料，按生产工艺分属于常温非加热型，将在 以后章节单独做详细介绍。 2 3 2 保温涂料的保温机理 保温涂料同其它保温材料一样，传热过程十分复杂，受到许多因素的影响，但其 传熟方式仍可分为对流、辐射和传导( 包括固相传导，气相传导，气液固相传导) 保温涂料可分为含纤维材料和不含纤维材料二类，其保温的主要原因都是内部呈 微孔结构，属多孔性保温材料。图2 - 4 是保温涂料传热方式示意图 固佛传热 图2 - 4 保温涂料传热方式示意图 在图2 4 中，导热是由保温涂料中的固相和气相完成的。由保温涂料中的纤维、 颗粒和其它各种物质之间接触产生的热传导是固相传热；由保温涂料气孔内气体分子 热运动产生的热传导是气相传热；由气孔内气体分f 热运动与其接触的固楣之闻的传 热是气液固相传热热辐射是由保温涂料中固相物质产生的，辐射热或穿过气孔由空 隙传递，或者透过固相物质传递，同时也可以由固+ 物质吸收后再辐射出去。 傅立叶定律表示了热传导的基本规律网，即 西北大学硕士学位论文 吼一a 禹( 2 - 1 ) 式中： 吼等温面法线方向的热流密度( w ，m 2 ) ； 五一导熟系数( w r e k ) ； 一a t 一等温面法线方向