粉煤灰鱗片的隔熱性能研究

王凱，魏莉

（沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159）

鱗片材料最早以玻璃鱗片的形式問世，由美國玻璃纖維公司開發，由于鱗片材料在耐蝕性能與施工工藝上的優越表現，其被廣泛應用在防腐領域。在20世紀70年代初期，鱗片材料的技術發展迅速，衍生出玄武巖鱗片涂料、云母鱗片涂料、合金鱗片涂料等，廣泛應用在化工、石油、建筑等領域[1]。

鱗片材料之所以防腐性能優異，一方面是因為鱗片材料本身的耐腐蝕性能好，另一方面鱗片材料在涂層中層疊排列形成的層狀結構，這種層狀結構產生的“迷宮效應”使腐蝕介質的擴散路徑延長，延緩腐蝕介質的擴散速度，從而達到防腐蝕的目的[2-5]。

本文旨在以粉煤灰鱗片作為填充料，與高溫爐料充分混合，利用鱗片材料在涂層中形成的層狀結構，通過對粉煤灰鱗片的微觀結構觀察、高溫導熱測試、涂層隔熱測試，研究粉煤灰鱗片對隔熱性能的影響，借此分析鱗片材料在涂層中產生的“迷宮效應”是否適用于延緩熱的傳導，探尋鱗片材料在防腐領域之外應用的可能性，為鱗片材料在其他領域的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗采用的鱗片材料是粉煤灰鱗片，粉煤灰鱗片是火電廠經過多重燃燒產生的粉煤灰，經過高溫加工制備而成。表1為粉煤灰鱗片各元素的組成與含量。由表1可知，粉煤灰鱗片中氧的含量極高，幾乎不存在其他陰離子，因此，粉煤灰鱗片中金屬元素多以氧化物形式存在。表2為各元素換算成氧化物后的組成及含量[6-7]。

表1 粉煤灰鱗片元素組成及含量

表2 粉煤灰鱗片氧化物含量換算結果

1.2 實驗設備

實驗所需設備主要有電熱恒溫鼓風干燥箱、平板高溫導熱儀、X射線衍射儀（XRD）、SEM掃描電鏡和隔熱測試儀（自制，見圖1）。隔熱測試儀主要包括加熱管、接線柱、內外涂層熱電偶以及主控系統。

1.3 實驗過程

1.3.1 粉煤灰鱗片微觀結構分析

利用SEM掃描電鏡對粉煤灰鱗片進行微觀結構觀察。

1.3.2 高溫導熱系數測試

以0、5%、10%、15%的粉煤灰鱗片含量與高溫爐料利用攪拌機充分混合后，每個配比制成2個直徑20 cm、高2 cm的圓形平板，將表面抹平后放入干燥箱中烘干，多次測量恒重后取出。放入平板高溫導熱測試儀中設定測試溫度，測試不同鱗片含量在100、200、300、400、500 ℃下的導熱系數。運行儀器，當達到設定溫度后，導熱系數連續5次相差小于±0.5%后儀器自動輸出測試結果，自動進行下一溫度測試，直至所有溫度測試完畢并輸出測試結果。

1.3.3 涂層隔熱性能測試

以0、5%、10%、15%的粉煤灰鱗片含量與高溫爐料利用攪拌機充分混合后，涂抹在直徑2 cm的石英加熱管表面，控制涂層厚度為2 cm，表面涂抹平整后放入烘干箱中烘干，多次測量恒重后取出，按圖1中所示一端熱電偶分別固定在涂層內外表面，另一端連接測試儀器，設定溫度100～500 ℃后進行隔熱測試。運行儀器，當溫度達到設定值并穩定后，重新設定溫度并進行下一個溫度的測試，每隔100 ℃調整一次，儀器將測試結果以Excel形式輸出并通過u盤保存。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰鱗片與高溫爐料混合形貌觀察分析

圖2為不同粉煤灰鱗片含量的高溫爐料不加水攪拌后的宏觀樣貌。由圖2可知，當高溫爐料不含粉煤灰鱗片時，攪拌后涂料呈現較稀泥狀；當粉煤灰鱗片質量分數不超過10%時，涂料攪拌后與0鱗片含量相比呈現較干泥團狀；當粉煤灰鱗片質量分數超過10%后，涂料攪拌后呈現分散的泥球狀，且十分干燥，需要加水攪拌才能進行樣品制備。

圖2 不同粉煤灰鱗片含量高溫爐料攪拌后形貌

2.2 粉煤灰鱗片微觀結構分析

用SEM掃描電鏡對粉煤灰鱗片進行微觀結構觀察，結果如圖3所示。由圖3可以看到，粉煤灰鱗片的微觀結構呈片狀，且排列方式為平行層疊，鱗片大小不一，表面光滑并且帶有銀色亮光。由圖2中還可以看到鱗片層疊形成的層狀結構，這種結構形成的“迷宮”延長了腐蝕介質在涂層中擴散的路徑，從另一方面延緩了介質的擴散速度。同樣，這種“迷宮”一樣的層狀結構也會在涂層中形成大量的、存貯空氣的小型中空結構，由于自然界中不流動的空氣的導熱系數是最低的，因此鱗片在涂層中的層狀結構形成的“迷宮”同樣能夠有效延緩熱量的傳導，以達到隔熱的效果[8-10]。

圖3 粉煤灰鱗片微觀形貌

2.3 不同粉煤灰鱗片含量對導熱系數的影響

將不同粉煤灰鱗片含量的高溫爐料制成直徑20 cm、厚度2 cm的圓板，烘干后進行高溫導熱測試，與不含粉煤灰鱗片的高溫爐料進行對比，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著高溫爐料中粉煤灰鱗片的增加，涂料的導熱系數也在不斷降低，當含量為0時，高溫爐料在500 ℃時導熱系數為0.098 W·m-1·K-1；鱗片質量分數為5%時涂料的導熱系數為0.094 W·m-1·K-1；鱗片質量分數為10%時導熱系數為0.090 W·m-1·K-1；鱗片質量分數為15%時導熱系數為0.084 W·m-1·K-1。當鱗片質量分數達到15%時，涂料的導熱系數下降幅度明顯變大。當鱗片在涂料中含量增加，一定厚度涂層中的鱗片數量增加，形成的層狀結構中存貯空氣的中空結構增多，由于空氣的導熱率是最低的，因此鱗片含量增加，涂料的導熱系數降低。

圖4 不同粉煤灰鱗片含量對高溫爐料的導熱系數影響

2.4 不同粉煤灰鱗片含量對隔熱性能的影響

將粉煤灰鱗片與高溫爐料混合后涂在加熱棒上，烘干后對不同鱗片含量的隔熱溫差進行測試，結果如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰鱗片含量對高溫爐料隔熱溫差的影響

由圖5可知，隨著粉煤灰鱗片含量的增加，高溫爐料的隔熱溫差不斷增大。當含量較小時，對高溫爐料的隔熱影響不大，隨著鱗片含量的增加，高溫爐料的隔熱效果逐漸明顯，當質量分數達到15%時隔熱效果最明顯，并且隨著溫度的升高，溫差逐漸增大。當溫度達到500 ℃時，0鱗片含量的高溫爐料涂層表面溫度為233 ℃；當鱗片質量分數為5%時，涂層表面溫度為213 ℃；當鱗片質量分數達到10%時，涂層表面溫度為178 ℃；當鱗片質量分數達到15%時，涂層表面溫度為152 ℃。由此可見，粉煤灰鱗片對涂料的隔熱性能有增強作用，且在質量分數達到15%時增強效果最好。

3 結 論

本研究進行了粉煤灰鱗片的微觀形貌觀察，與高溫爐料混合后進行高溫導熱測試以及隔熱測試。對測試后結果分析發現，粉煤灰微觀形貌呈現大小不一、平行層疊的鱗片組成的層狀結構；隨著粉煤灰鱗片在高溫爐料中含量的增加，高溫爐料的高溫導熱系數逐漸下降，涂層表面溫度逐漸降低，并且在粉煤灰鱗片質量分數達到15%時下降幅度最大。因此，粉煤灰鱗片在涂層中由層狀結構形成的“迷宮”對熱量的傳導有阻滯作用，從而增強材料的隔熱性能。