自膨胀闭孔泡沫陶瓷微球 PPT课件

1 2 国内外泡沫陶瓷技术现状 目前 国内外对多孔泡沫陶瓷材料领域及特需用途上 主要集中在高端领域 但开孔型较为常见 在实际应用中也较为普遍 如作为液体 气体过滤用的滤芯材料 消声器 吸声 降低噪音材料 催化剂载体 固化醇载体等 对于闭孔类型而言 则基本处于一种前沿科技研究和高端应用状态 可供定性了解 参考 的 有价值的文献不多 在北京图书市场上 仅有中国科学院刘培生译著的 多孔固体结构与性能 多孔材料引论 及罗民华编著的 多孔陶瓷使用技术 两个版本 书中所涉及闭孔陶瓷部分的介绍非常有限 基础性 系统性的论述以及涉及生产工艺方面的文字资料几乎找不到 在国际 国内市场上更是难觅实物 特别是具有良好绿色特征 高效多功能 且能应用于建筑节能领域的泡沫陶瓷材料 无论在国际或国内还是空白 我们用水热法发明的 自膨胀式泡沫陶瓷微球 填补了国内外空白 且比火焰法更节能环保 3 保温绝热是闭孔泡沫陶瓷最主要 最传统的应用之一 国外有关报道称 世界上最好的绝热材料是 真空闭孔泡沫陶瓷 其传热系数比硬质聚甲酸乙酯泡沫材料还低上千倍 被称为 超级绝热材料 它的应用也大都是在高端领域 如高级保温 保冷集装箱 顶级产品可用于航天飞机的外壳隔热 尽管目前国内有些科研机构或企业已意识到泡沫陶瓷对于建筑节能的重要意义 开始关注这一新兴项目 也有少量成果 如2008年国内曾出现个别关于 闭孔泡沫陶瓷 的研发报道 但从整体来看 尚显某些不足 已取得的物理技术性能水平较低 研发成熟度处于较低级阶段 因其所使用原材料的局限性 地域性 经济性等方面的原因 很难形成跨地区的产业规模 难以满足建筑及节能市场质量要求高 数量要求巨大 覆盖面广的需求 缺乏普遍有效的指导意义和广泛 持久的商业应用前景 未注明有独立知识产权 4 目前市场上的泡沫陶瓷主要以大块型状而存在 如图泡沫陶瓷保温砖 板 如图泡沫玻璃保温砖 板 5 应用范围有限 比如高铁车厢保温隔热层 舰船体保温隔热层 太阳能热水器外保温层 蒸汽管道外保温层 石油管道外保温层 陶瓷保温砖 板 都无法应用 另外 质轻 低强 高强 质重 载荷能力弱 抗外力能力低 而且有吸水率 吸湿率高的现象 使得材料的保温隔热使用功能无法得到保障 粘结性不良 空鼓 脱落 相容性差 裂缝 渗漏 温度稳定性差 材料间和易性差 施工难度大 技术要求高 质量难控制 寿命短易失败 气候适应性差 玻璃 陶瓷保温砖 板 6 自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球 7 自膨胀式泡沫陶瓷微球的性能参数 8 自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球扫描图 如图所示 球体表面形貌呈现颗粒聚集状 各聚集间有宽约1um间隔 间隔处有约100nm大小空洞分布 9 10 自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球中心剖面图 11 12 13 自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球的应用 隔热保温 建材 和水泥混合 和石膏混合 14 闭孔泡沫陶瓷微球加聚合硅凝胶制成A1级保温材料防火隔离带 15 气凝胶毡是把闭孔泡沫陶瓷微球气凝胶为主体材料 并复合于增强性纤维中 如玻璃纤维 预氧化纤维 通过特殊工艺合成的柔性保温材料 16 闭孔泡沫陶瓷微球加加聚合硅凝胶喷涂 闭孔泡沫陶瓷微球直接制成的房顶保温 隔热 防老化毡 17 自膨胀式 闭孔泡沫陶瓷微球 材料与传统保温隔热材料相比 18 19 从大到石油 天然气管道小到热水管的保温隔热填充应用 20 热水器 空调 冰箱等家电 隔热保温 许多电器的隔热保温层是异形体 又要求防火 阻燃 不老化 必须由闭孔泡沫陶瓷微球填充才行 21 自膨胀式 闭孔泡沫陶瓷微球 材料在飞机 汽车 高铁等隔热保温层中使用 五大特色 保温 隔热 防火 阻燃 抗冲击 22 比如2014年7月19日 沪昆高速惨烈车祸已致38死 如果这大巴使用 闭孔泡沫陶瓷微球 材料填充保温隔热层 它既能防火 阻燃 耐高温 又环保无毒 许多乘客就可保住生命 安全撤离了 23 四 自膨胀式 闭孔泡沫陶瓷微球 材料在防护工程中的应用 闭孔泡沫陶瓷微球 材料是内含大量空穴而又具有三维胞体结构的材料 而薄壁壳体结构做为吸能缓冲元件 具有韧性好 强度高的优势 空壳颗粒材料是防护工程领域涌现的一种新型防护材料 兼具泡沫材料和薄壁壳体结构的双重特性 其高比吸能特性的研究已逐渐成为材料力学和固体力学中的前沿课题 引起了众多学者的广泛关注 泡沫材料与薄壁结构结合后 在吸收能量方面还能产生相互作用效应 即填充结构的吸能效果大于相同加载条件下独立的泡沫材料和独立的薄壁结构的吸能效果之和 在承受冲击波载荷时 由于壳间空穴对应力波的绕射和隔离效应在进一步减轻材料重量的同时 还大大增强了材料对波的弥散和衰减效应 而壳体结构又增强了材料的强度 因此在冲击动力学和人防工程等领域内具有广阔的应用空间 1 闭孔泡沫陶瓷微球 空壳颗粒球具有孔隙率大 阻抗低的特点 作为分配层时 通过应力波的绕射和反射卸载等作用 使得冲击波的峰值强度较使用黄沙作为分配层是降低40 以上 即使在二次重复加载下 也具有良好的削波吸能作用 2 闭孔泡沫陶瓷微球 空壳颗粒球作为成层式结构的分配层 对爆炸波具有很强的耗散和弥散作用 可以延长冲击波作用实验 使陡峭的冲击载荷变得平缓 能够降低由脆性材料构成的底部主结构的局部破坏 24 比如 利用工程措施减弱或隔断武器效应对特定目标破坏作用 保护人员安全的设施 在战争中肩负着抵抗常规武器直接命和核武器非直接命中的使命 地下掘开浅埋式防护结构是防护工程的一种最常见形式 最早期的浅埋式防护工程多为单层的砖石结构 抵抗能力较弱 二十世纪初期 随着火炮口径的逐渐增大 炮弹威力的增加 混凝土等材料被逐渐用来对单层的砖石防护工程进行加固 在反复实验过程中 研究者发现 加固层和原有结构之间加一层厚度1米左右的砂层可以较为有效地减轻结构震塌 这样就构成了几种不同介质材料组成的防护层 也就发展成为典型的成层式防护工程 其结构包括伪装覆土层 遮弹层 分配层和底部主体结构几个部分 典型的成层式防护工程如图1 1所示 25 在战场上 爆炸强冲击波是杀伤对方人员的重要手段 冲击波可以直接对人体内脏产生冲击伤 也可以通过使结构产生层裂碎片 间接对人员进行打击 分配层的功能正是分散炮 航弹冲击和爆炸载荷的作用 吸收 削弱 屏蔽爆炸波 减少反射拉伸波引起的底部主体结构地板的层裂破坏 削弱爆炸引起的震塌作用 从而保证人员安全 26 普通泡沫陶瓷材料是内含大量空穴而又具有三维胞体结构的材料 质地轻 具有良好的隔音 隔热 减震和吸能性 但是韧性较差 强度不高 而 闭孔泡沫陶瓷微球 有薄壁壳体结构做为吸能缓冲元件 具有韧性好 强度高的优势 闭孔泡沫陶瓷微球 材料是防护工程领域涌现的一种新型防护材料 兼具泡沫材料和薄壁壳体结构的双重特性 其高比吸能特性的研究已逐渐成为材料力学和固体力学中的前沿课题 引起了众多学者的广泛关注 球形夹芯结构梁的弯曲性能 其夹芯球分别使用乒乓球和空心氧化铝球制的 泡沫材料与薄壁结构结合后 在吸收能量方面还能产生相互作用效应 即填充结构的吸能效果大于相同加载条件下独立的泡沫材料和独立的薄壁结构的吸能效果之和 在承受冲击波载荷时 由于壳间空穴对应力波的绕射和隔离效应在进一步减轻材料重量的同时 还大大增强了材料对波的弥散和衰减效应 而壳体结构又增强了材料的强度 因此在冲击动力学和人防工程等领域内具有广阔的应用空间 小结 闭孔泡沫陶瓷微球 兼具泡沫材料和薄壁壳体结构的双重特性 27 五 泡沫陶瓷微球在煤矿瓦斯爆炸中对火焰传播的淬熄作用 煤矿目前主要采用隔爆水棚或岩粉棚来抑制瓦斯爆炸火焰传播 但此类技术仅针对一次性瓦斯爆炸 而缺乏对多次及连续瓦斯爆炸的有效阻隔爆手段 仅注重对燃烧波的淬熄作用 对造成很大破坏的冲击波的衰减效果不足 闭孔泡沫陶瓷微球 空壳颗粒球的淬熄火焰和衰减冲击波的效能已得到国内外专家的重视 闭孔泡沫陶瓷微球 作为一种内壁多孔介质 具有表面开孔率大 耐高温 抗冲击力强的优点 理论分析和实验研究表明 由于壁面的多次撞击效应 多孔介质可以有效地销毁瓦斯燃烧化学反应产生的自由基数量 抑制化学反应的放热 使化学反应不能自持进行 进而淬熄燃烧火焰传播 可以大幅衰减瓦斯爆炸的冲击波强度 起到同时淬熄燃烧火焰和衰减冲击波的作用 比如二氧化硅基体材料的 闭孔泡沫陶瓷微球 对瓦斯爆炸过程的影响规律 发现 闭孔泡沫陶瓷微球 对瓦斯爆炸超压的衰减作用十分明显 最大衰减量可以达到50 而闭孔泡沫材料以其完整的胞体结构 相比开孔泡沫陶瓷有更好的力学性能和吸能效果 虽然泡沫铝和聚氨酯泡沫在压缩过程中拥有大的塑性应变和优异的吸能特性 相对更为廉价闭孔泡沫陶瓷应该在抑制瓦斯爆炸的应用研究中应更加获得重视 28 六 灭火剂材料 众所周知 灭火剂是能够有效的在燃烧区破坏燃烧条件 达到抑制燃烧或终止燃烧的物质 常见的灭火剂有 干粉 泡沫 卤代烷 二氧化碳 清水等灭火剂 对有机燃油如柴油汽油的着火通常使用干粉 二氧化碳灭火剂灭火 但对大量的柴油汽油的着火 如大型油鑵的着火 普通灭火剂则难于发挥其灭火的效果 通常情况下 一般都是让其燃烧 并在槽鑵表面喷水降温 避免爆炸 这样会产生大量的有毒有害的废气 并造成高昂的经济损失 由于本产品陶瓷空心球的密度小 可浮于油面上 且能耐高温 当大量的陶瓷空心球漂浮在油上时 可隔热 使燃烧的油气产生的热量不能加热油面 减少燃油蒸发 进而阻止燃油进一步燃烧 同时由于本陶瓷空心球与油不相溶 且漂浮在油面上 不会沉降在油鑵底部 不会对燃油品质造成破坏 且易于回收 有效地降低因着火产生的经济损失 29 七 闭孔泡沫陶瓷微球 作为环保污水处理载体材料 随着工业进步和社会发展 水污染的问题越来越严重 据环境部门监测 全国城镇至少有1亿t d污水未经处理就直接排入水体中 全国七大水系中一半以上河段的水质受到污染 1 3的水体不适于鱼类生存 90 的城市水域污染严重 50 的城镇水源不符合饮用水标准 水体污染不仅影响工业生产及产品质量 腐蚀设备 而且还影响人民生活危害人的健康 破坏生态 解决生活 工业污水净化问题 提高水处理效率 已成燃眉之急 目前 多孔陶瓷 陶粒 主要用作吸附过滤介质及生物滤池的载体材料 因多孔陶瓷材质能在强酸强碱环境中使用 比有机材料有更好的吸附性及对生物的亲和性 处理效率高等优点 同时因质量大 稳定性 重复利用性低等缺陷 我们研究的闭孔泡沫陶瓷微球 克服传统陶粒的缺陷 由于表面有羟基 易于将生物菌附着在其表面 又具有保温效果 关键是陶瓷微球漂浮在水面 直接接触空气中氧以及阳光照射的光合作用 减少曝气池的能源消耗 更适合作生物滤池载体材料 30 蓝藻是原核生物 又叫蓝绿藻蓝细菌 大多数蓝藻的细胞壁外面有胶质衣 又叫粘藻 没有细胞核 细胞中央有核物质 通常呈颗粒状或网状 染色质和色素均匀的分布在细胞质中 核物质没有核膜和核仁 具有核的功能 故称为原核 或拟核 蓝藻中有环状DNA质粒 担当运载体的作用 蓝藻大量出现时 附近水体一般呈蓝色或绿色 水面被厚厚的蓝绿色湖靛所覆盖 被风吹到岸边堆积 不但会发出恶臭味 且含毒素的蓝藻细胞在水体中漂游 当与某些悬浮物络合沉淀 或被养殖对象捕食后随其排泄物沉淀 在鱼池池底富集 对无公害水产品生产会带来巨大的负面影响 蓝藻中的项圈藻可快速产生致死因子 破坏养殖对象的鳃组织 干扰其新陈代谢的正常进行 麻痹神经 使其死亡 蓝藻中个别种不但活体带毒 而且死亡个体分解会产生生物毒素 蓝藻毒素 如微囊藻毒素 蓝藻毒素量多时可直接造成养殖对象中毒死亡 或者即使数量少 也可通过食物链积累效应危害养殖对象 直至危害人体 八 闭孔泡沫陶瓷微球 吸附湖泊中的蓝藻 闭孔泡沫陶瓷微球 球体表面形貌呈现颗粒聚集状 各聚集间有宽约1um间隔 间隔处有约100nm大小空洞分布 用 闭孔泡沫陶瓷微球 处理 泼洒闭孔泡沫陶瓷微球10公斤 亩 使之絮凝蓝藻 见右图 第二 间隔3 4小时后将絮凝蓝藻的闭孔泡沫陶瓷微球一起打捞起来 用高压水冲洗 球藻分离 再将球投入循环使用 第三 平衡氮磷比例 通过泼洒无机磷改变氮磷的比例 加快培育绿藻和硅藻等有益藻类快速生长成为优势藻种来抑制蓝藻生长 从而改善蓝藻过度繁殖的状况 31 九 闭孔泡沫陶瓷微球 浮油的连续收集 频繁的石油泄漏事故对海洋生态系统和滨海环境带来巨大的破坏 商用的撇油器处理粘度较大的重油非常有效 但对于粘度较小的石油 由于其扩散面积大 油层薄等特点 很难利用传统的围油收集方式来清理 采用分散剂 微生物富养化以及燃烧等手段不仅对生态环境带来二次破坏或污染 而且浪费日益短缺的能源油品 因此 进一步发展新材料 新技术来高效清理并回收水面低粘度浮油和不溶于水的碳氢化物已是迫在眉睫 近年来 由于多孔疏水亲油材料表现出优异的油水分离性能 使其在处理水面浮油领域受到了广泛的关注 然而 这些多孔疏水亲油材料的吸油容量有限 消耗量大 因而对这些材料的运输 播撒以及回收都带来很大的困难 加上后期回收浮油的操作复杂 成本高昂 阻碍了多孔疏水亲油材料的商业化应用进程 闭孔泡沫陶瓷微球 表面具有细小的沟道孔洞 布满大量毛细沟道 毛细现象具有超强力的吸水吸油性 油水更容易离心分离或洗脱 回收集油污的最佳首选 32 十 闭孔泡沫陶瓷 在催化反应器中的应用 20世纪以来 化学工业的品种和规模的巨大增长无不借助催化剂 从世纪初合成氨的工业化 50年代以后石油化学工业和高分子工业的兴起 乃至60年代以后解决环境保护问题都和使用催化剂有关 现代化的化工和石油加工过程约90 是催化过程 催化剂 催化剂是一种物质 它能加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化 催化反应 涉及催化剂的反应称催化反应 均相催化反应 非均相催化反应 活性物质 催化剂中真正起催化作用的组分 它常被分散固定在多孔物质的表面 金属 金属氧化物 载体 担体 载体常常是多孔性物质 主要作用是提供大的表面和微孔 使催化活性物质附着在外部及内部表面 闭孔泡沫陶瓷微球 球体表面形貌呈现颗粒聚集状 各聚集间有宽约1um间隔 间隔处有约100nm大小空洞分布 比表面积大 硬度高 导热性好 耐热 耐高温 孔结构多种多样 表面积随制法而变化 载体自身亦能提供活性中心 其它领域应用我们还在寻找之中 也在进一步认证和测试 33 十一 微米级闭孔泡沫陶瓷 在雷达隐身材料的上应用 新型隐身材料则需要满足 轻 薄 宽 强 多 等多项要求 轻 是指材料质量轻 薄 是指材料厚度薄 宽 是指隐身的频段要宽 雷达吸波材料的吸波频段需覆盖为1 20GHz的宽频带 强 是指隐身材料吸波性强 多 则是指隐身材料的功能多 不仅要能吸收雷达波 而且还要能抑制红外辐射等 未来的隐身材料应满足多频谱隐身 环境自适应 耐高温 耐海洋气候及抗核辐射等更高的要求 以应对未来战争的需求因为 闭孔泡沫陶瓷 其独特的表面结构 以此为基核 在其表层沉积纳米纳米粒子 其纳米粒子表面积比粗粉大3 4个数量级 对电磁波的吸收效率也高 而且由于纳米粒子的量子尺寸效应 宏观量子隧道效应以及界面效应等作用 使由纳米粒子组成的块体材料在光 电 磁等物理性质方面发生了质的变化 不仅磁损耗增大 而且兼具有吸波 透波 偏振等各种功能 并且可以与结构复合材料或结构吸波材料复合