界面耦合技術在保溫材料中的應用

丁 慶， 申 天 游， 羅 安 凱， 楊 代 六， 田 先 忠， 趙 鴻 遠

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 監測及試驗研究所，四川 成都 610072；2.中國水電基礎局有限公司國際公司，天津 武清 037100)

界面耦合技術在保溫材料中的應用

丁 慶1， 申 天 游1， 羅 安 凱2， 楊 代 六1， 田 先 忠1， 趙 鴻 遠1

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 監測及試驗研究所，四川 成都 610072；2.中國水電基礎局有限公司國際公司，天津 武清 037100)

復合材料是新材料研究的熱點。而復合材料的界面結構對其性能起著至關重要的作用，對界面過渡區域的研究已經取得了很多的成果。介紹了一種基于界面研究理論的界面耦合處理技術，通過其在復合保溫材料中的應用，明顯地改善了保溫材料的微觀結構及強度性能。

界面耦合；保溫材料；強度

隨著我國經濟的高速發展和人民生活水平的提高，人們對環境的要求越來越高。雖然國家在大力發展水電、太陽能、風電等清潔能源，但是目前仍然沒有改變我國以火電為主的能源結構。為了減少化石燃料使用量，建筑結構的保溫可以對節能起到很大的作用。保溫材料的研究和應用，必將在未來有更大的市場和發展空間。

現階段保溫材料種類豐富，性能各異，但是存在的一個最大問題是：保溫材料的強度都很差，這是由其結構、保溫原理帶來的天生缺陷。因為絕大部分保溫材料的原理是利用空氣的導熱系數比較低，通過各種手段引入氣體來減少熱橋，從而降低其整體導熱系數，但引入空氣會降低材料受力時的有效截面積，從而造成其有效強度下降。

筆者所進行的研究是采用界面耦合處理技術研究改善界面作用以及對保溫材料性能的影響。

1 界面及界面理論

復合材料的界面是指基體與增強物之間化學成分有顯著變化、構成彼此結合能傳遞載荷作用的微小區域。界面是不同于兩邊相態的實體，有獨立的相，占一定的空間，有固定的位置，具有一定的厚度，物質的組分和能量可以通過這個區域從一個相連續地變化到另一個相。也就是說：兩相之間并不存在截然分開的分界面,相與相間是一個逐步過渡的區域，界面區的結構、能量、組成等都呈現連續的梯度變化。界面是材料物理、化學性質發生空間突變的二維區域,是材料中普遍存在的結構組成單元。材料的力學性能如強度、塑性、斷裂韌性均與材料的界面有著非常密切的關系。材料的很多破壞和失效亦首先起源于界面，如加載應力的傳遞不可避免地通過界面與基體的相互作用進行。

界面是決定復合材料性能的關鍵因素，亦是復合材料研究領域的焦點問題。

關于界面作用機理，其主流的理論研究如下：

(1)界面浸潤理論。

1963年，Zisman提出了界面浸潤理論。主要觀點為填充材料被基體材料良好的浸潤對復合材料的性能是極其重要的，當潤濕不良產生時，填充材料與基體之間的界面會產生空隙，當復合材料受力時，空隙處容易產生應力集中而使復合材料發生開裂。當完全潤濕時，填充材料與基體之間的粘結強度將大于基體的內聚力。根據界面浸潤理論可知：改善復合材料的性能需要增加基體材料的浸潤性能，在實際生活中，通常選擇對填充材料表面改性的方式來改善其與基體之間的潤濕性能，也可以通過改變基體組分的方式來改善其相互之間的潤濕性。

(2)化學鍵理論。

化學鍵理論是指填充材料與基體材料之間通過化學反應形成共價鍵、或者通過既能與基體反應，也可以和填充材料反應的偶聯劑形成界面。理論上可以獲得最大的界面粘結能。

(3)物理吸附理論。

當填充材料與基體之間帶有不同性質的電荷時，將產生靜電吸引，但其作用范圍僅限于原子尺寸范圍內。

(4)變形層理論。

增強材料表面經過處理后，在其界面上形成一個塑性層，受力時可以松弛并減小應力，這一理論被稱為變形層理論。

界面耦合技術即是基于以上理論研究，對填充材料進行處理后以最大的程度與基體材料無隙結合的一項處理技術。

2 保溫材料的界面

保溫材料可以大體分為無機保溫材料、有機保溫材料和復合保溫材料。

2.1 無機保溫材料

2.1.1 泡沫混凝土

泡沫混凝土是通過發泡機的發泡系統將發泡劑用機械方式充分發泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經過發泡機的泵送系統進行現澆施工或模具成型，經自然養護所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料。泡沫混凝土具有輕質、保溫隔熱性能好、隔音耐火性能好、低彈減震性好、生產加工方便、環保性能好、施工方便等優良的綜合性能，是我國無機保溫材料中應用最為廣泛的材料之一。但是，泡沫混凝土依然存在強度較低、易開裂、開裂后吸水嚴重等問題。

2.1.2 無機保溫砂漿

無機保溫砂漿是以低密度多孔無機顆粒、粉末或短纖維為輕質骨料，通過添加一定的膠凝材料及其他多元復合外加劑，按一定比例、經一定工藝制成的保溫抹面材料。無機保溫砂漿具有質輕、隔熱、保溫、不燃、抗老化、耐腐蝕、耐蟲蛀、對人畜無害等優良特性，以及施工方便和價格便宜等優勢。但是，由于其尚存在一些問題，比如材料容重稍差、保溫隔熱性能稍差、吸水率較大、和易性稍差等，在一定程度上限制了它的應用。

綜上可以看出：無機保溫材料強度較差，吸水率較大，保溫性能一般。既使采用閉孔的空心玻璃微珠或粉煤灰漂珠，以及無機/有機復合膠材，無機保溫砂漿的強度、吸水率仍然改善不大。從SEM微觀分析(圖1)可以看出：在低放大倍數下，無機保溫砂漿填充了緊密排列，宏觀表現致密。然而，隨著放大倍數的依次增大，可以明顯地看出在填充漂珠之間存在著數量眾多的空隙，表現為漂珠界面嚴重缺膠，當保溫砂漿受到外力壓迫時，膠凝材料將力傳到材料內部。由于膠凝材料與填料之間為點接觸，接觸面積較少，相應的接觸點應力很大，很容易被破壞；接觸點被破壞之后，填料漂珠只承擔縱軸向的受力，從而非常容易被破壞。遇水時情況類似，填料與基體之間的空隙為水分的進入和滲透留下了通道，從而導致其保溫性能和耐久性下降。

2.2 有機保溫材料

有機類保溫材料主要來源于石油副產品，包括發泡聚苯板(EPS)、擠塑聚苯板(XPS)、噴涂聚氨酯(SPU)以及聚苯顆粒等。有機類外墻保溫系統占據了我國當前外墻保溫市場75%以上的份額。

在水工行業，大壩保溫目前以EPS和XPS為主，也有噴涂聚氨酯應用的案例，取得了比較好的保溫效果，但同樣存在強度不高、抵抗外界作用力能力較弱的缺點。若在其安裝或使用過程中遇到碰撞或河流漂浮物的撞擊，很容易造成保溫層表面破損而導致其進水，最終導致保溫失效或整體從壩面被撕開。因此，在保證足夠保溫性能的前提下，提高其保溫材料強度具有十分重要的意義。

從掃描電鏡圖片(圖2)可以看出：硬泡聚氨酯保溫材料微觀結構為互相緊密排列的帶壁氣泡，氣泡顆粒之間的微小空隙也被更小尺寸的氣泡顆粒填充，形成級配良好的密堆積結構，這種微觀結構有利于其內部均勻傳遞分布應力，提高其抵抗外力的能力。同時可以看到：每個微觀球體單元上均有薄膜或開口現象，這種現象可能會造成小球體單元受力失衡，且有機材料本身抗壓能力有限，進而造成硬泡聚氨酯強度有限。

3 高強復合保溫材料及其性能

3.1 高強復合保溫材料的制備原理

由于硬泡聚氨酯保溫材料具有良好的保溫能力和較高的基礎強度，為了得到既能滿足保溫性能，又能具有較高抗外力能力的保溫材料，筆者最終選擇了采用硬泡聚氨酯并對其進行改性的方案。

由圖3可以看出：硬泡聚氨酯由于其固有的發泡機理而造成小球單元薄壁存在開口且壁材較為軟弱。為了提高強度、同時不明顯削弱其保溫能力，我們選擇采用硬質空心材料作為填料。然而，硬質空心材料均為無機相，與聚氨酯有機相結合能力一般。直接復合得到的材料微觀結果見圖3，從圖3可以看出：硬質空心材料在聚氨酯體系中分布，斷面出現許多凹坑，表明其破碎過程中有很多硬質空心小球是被拔出而分離，說明硬質空心小球與聚氨酯基體的粘結能力一般。圖3右側的圖片可以印證此結論。1 600倍放大時，可以明顯地看到填充物與基體材料之間的微小間隙。

圖1 保溫砂漿SEM示意圖

圖2 聚氨酯硬泡SEM示意圖

圖3 硬泡聚氨酯/硬質空心球復合保溫材料示意圖

圖4是經過表面耦合技術處理的硬質空心小球與硬泡聚氨酯復合而成的保溫材料，從圖4中可以明顯看出：小球與基體結合的相當緊密，其表面光滑過渡，結構完整，破碎面聚氨酯基體與硬質空心小球同時發生橫向斷裂，說明在破壞之前，聚氨酯基體與填料的共同受力最終超過了極限而同時發生破壞，應力傳導充分。微觀致密的結構不僅有利于強度的提高，而且由于其整體基本完成、不存在通孔或裂縫，其抗滲能力也得到了大幅度地提高。

圖4 表面耦合技術處理后的微觀效果圖

圖5 保溫材料結構模型示意圖

圖5為保溫材料細觀示意圖，可以理解為膠凝材料基體與減輕(填料)成分的復合材料，減輕材料可以為空氣、輕質空心材料等。圖6為膠凝材料基體與減輕材料界面結合方式圖。圖6(a)所示基體材料與減輕材料之間為空氣，表現為基體材料無法與減輕材料相結合，現在所使用的絕大部分保溫砂漿材料內部均為這種結合方式，其所含空氣界面層無法抵御任何外力，只能靠機械咬合力，非常容易破壞，所以，大部分保溫砂漿的強度不會超過1 MPa。采用與基體相親的材料或者對減輕材料使用偶聯劑處理，均可以改善界面接觸情況，如圖6b及6c所示，界面層存在范德華力，氫鍵或者電荷作用使得界面能夠承受較大的載荷。而高強保溫材料在偶聯界面的基礎上引入的活性化學改性劑可以在保溫材料基體與減輕材料之間形成新的化學交聯，同時，由于存在偶聯長鏈分子，在其受力過程中可以有有限距離的位移滑動，以保證保溫材料具有一定的抗沖擊性能；當受力程度增大，位移過大，超過長鏈分子的長度，化學鍵力可以保證其界面具有較強的連接，故高強保溫材料具有很高的強度。而界面層如果只存在偶聯作用，偶聯分子極有可能在受力不是非常強的情況下被拔出而導致界面鏈接失效。

a.不緊密接觸 b.范德華力及氫鍵接觸

c.偶聯劑接觸 d.化學鍵接觸圖6 界面結合方式示意圖

3.2 保溫材料的性能

基于界面耦合技術研發的復合保溫材料的基本性能見表1。

表1 基于界面耦合技術研發的復合保溫材料基本性能表

4 結 語

對于復合保溫材料來說，界面過渡區域的性能是決定其整體性能的關鍵。筆者通過分析認為：傳統的保溫材料強度差、耐用性不好的關鍵原因就在于其界面區域的處理不理想，存在過多的空隙氣泡，嚴重劣化了復合保溫材料的整體性能；提出了通過界面耦合技術處理復合保溫材料，可以提高復合材料組分之間的親和性，減少填料與基體之間的空隙，在不影響保溫能力的情況下，能夠大幅度提高復合材料的抗壓強度，從而有效拓展了保溫材料的應用范圍。

(責任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV41

B

1001-2184(2017)01-0064-05

丁 慶(1987-)，男，湖北孝昌人，工程師，碩士，從事水工新材料的研發及水工混凝土材料研究；

申天游(1989-)，男，重慶銅梁人，助理工程師，學士，從事水工新材料的研發及水工混凝土材料研究；

羅安凱(1985-)，男，四川成都人，工程師，碩士，從事水工混凝土材料研究；

楊代六(1973-)，男，重慶銅梁人，室主任，教授級高級工程師，碩士，從事水工新材料的研發及水工混凝土材料研究；

田先忠(1968-)，男，湖北宜昌人，副室主任，高級工程師，碩士，從事水工新材料的研發及水工混凝土材料研究；

趙鴻遠(1975-)，男，四川成都人，助理工程師，從事水工混凝土材料研究.