苔蘚為原料制備建筑用隔熱材料探討

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摘要：本研究探討了使用苔蘚作為建筑用隔熱板材料的可能性。以苔蘚、秸稈和蘆葦為原料，水玻璃為黏結(jié)劑，設(shè)計(jì)了不同組分的隔熱材料，并對(duì)材料的熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明由苔蘚和秸稈制備的復(fù)合材料密度為156kg/m3～190kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.044W/（m·K）～0.046W/（m·K）、干燥過程中不收縮、抗壓強(qiáng)度在0.20MPa～0.21MPa之間，是一種性能良好的建筑保溫材料。

關(guān)鍵詞：苔蘚；秸稈；蘆葦；隔熱材料

1前言

為了降低建筑物的能源成本，就需要選擇合適的隔熱材料。隔熱材料的基本特性主要包括導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度、堅(jiān)固性、耐久性、耐水性等，此外還需考慮其成本和對(duì)環(huán)境的影響。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，建筑材料對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越受到關(guān)注，植物纖維，如稻草、亞麻、玉米、竹子、稻殼、木材、椰子等，在經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境的可持續(xù)性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此在建筑業(yè)中受到了廣泛關(guān)注。農(nóng)產(chǎn)品加工過程中產(chǎn)生的廢物可通過各種處理手段得到隔熱材料，從熱機(jī)械性能、能量性能和成本性能以及可持續(xù)性方面考慮，農(nóng)業(yè)廢物是一種極具潛力的材料。這些天然材料以地毯、板或卷的形式制成，可應(yīng)用于墻壁、屋頂、地板和天花板的隔熱。在保溫板上使用天然材料比石油副產(chǎn)品具有更大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘?duì)環(huán)境的危害較小，所含的碳和氮不會(huì)作為有害氣體釋放到環(huán)境中。此外，天然材料對(duì)人體健康和環(huán)境幾乎沒有威脅，且天然材料的能源和生命周期成本更低。使用當(dāng)?shù)氐奶烊徊牧希梢詼p少對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的影響，并且降低對(duì)石油和不可再生能源的依賴。苔蘚又名泥炭蘚，生長(zhǎng)在海拔較高的山區(qū)熱帶、亞熱帶的潮濕地或沼澤地，具有生態(tài)相容性、藥用特性和低導(dǎo)熱性的特征。本文研究探討了將苔蘚用于板材隔熱材料的可行性，并對(duì)相應(yīng)的性能進(jìn)行測(cè)定。

2實(shí)驗(yàn)材料與方法

制造絕熱板所用的纖維來(lái)自苔蘚。苔蘚是一種纖維狀植物，長(zhǎng)約50mm～100mm。苔蘚收獲后，首先在40℃～50℃的室內(nèi)干燥6h~8h，然后切成長(zhǎng)度為10mm～20mm的原料。秸稈和蘆葦用于提升絕熱材料的剛性，減少干燥過程中的收縮，秸稈和蘆葦均切成15mm～20mm的長(zhǎng)度。水玻璃作為粘合劑，硅酸鹽模數(shù)為2.9，pH值為11～12，黏度為00194（N·s）/m2，密度為1.45g/cm3～1.47g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.23W/（m·K）。在樣品制備過程中，根據(jù)樣品尺寸和成分進(jìn)行稱重。將粘合劑和纖維混合后均勻地放入模具中并蓋上蓋子，施加0.2MPa的壓力并保持5h～6h，隨后移除，并在40℃～50℃下干燥6h～7h。實(shí)驗(yàn)過程中制備了不同體系的絕熱材料，第一類是以苔蘚為單一原料制備隔熱材料；第二類是將蘆葦和秸稈與苔蘚混合，得到兩種不同成分體系的混合料。

3結(jié)果與討論

以苔蘚為單一原料制備的樣品測(cè)試結(jié)果見表1所示。由表1的數(shù)據(jù)可以看出，在黏結(jié)劑用量一定的條件下，纖維添加量從100g增加到220g（試樣1.12和1.9）時(shí)，密度增加了26%，導(dǎo)熱系數(shù)降低了31%。然而，纖維消耗量從220g增加到300g（樣品1.9和1.7）時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)從0.04W/（m·K）增加到0.068W/（m·K），增加了42%。水玻璃含量的增加也會(huì)引起導(dǎo)熱系數(shù)的增加。因此，在比較樣品1.3和1.9的特性時(shí)，應(yīng)注意添加100g粘合劑可使導(dǎo)熱系數(shù)和密度分別增加15%和19%。樣品1.3與1.15試樣相比，導(dǎo)熱系數(shù)和密度分別提高了28%和37%。隨著苔蘚（大于220g）和水玻璃用量的增加，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和密度隨之增大。這可能是由于水玻璃消耗量的增加使得通過黏合劑層的熱橋增加。當(dāng)苔蘚用量為220g時(shí)，有可能形成最優(yōu)化的致密結(jié)構(gòu)，這種結(jié)果可減弱空氣在隔熱層的自由流動(dòng)。隔熱材料密度的進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致顯微結(jié)構(gòu)的碎化和致密化，即纖維材料中存在的熱損失。樣品1.3、1.9和1.15對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱性最好，在這種情況下，苔蘚的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)會(huì)保持得比較完整。在制造絕熱板時(shí)，觀察到沿長(zhǎng)度和寬度出現(xiàn)7mm～8mm的收縮變形，相當(dāng)于樣品尺寸的6%。當(dāng)與水玻璃混合時(shí)，由于其吸濕性，水會(huì)被苔蘚細(xì)胞吸收，從而導(dǎo)致其體積增加。在干燥過程中，苔蘚中的水分蒸發(fā)，尺寸減小，從而導(dǎo)致收縮變形。為了減少材料的收縮，在苔蘚的基礎(chǔ)上添加長(zhǎng)度為1cm～2cm的蘆葦，從而在混合料中形成相互連接的結(jié)構(gòu)。對(duì)于混合骨料的總質(zhì)量，采用與苔蘚樣品1.3、1.9和1.15（見表1）成分相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，蘆葦?shù)募尤肓繛榭偣橇腺|(zhì)量的20%～50%。用苔蘚和蘆葦制備的樣品的試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘結(jié)劑用量一定時(shí)，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)隨混合料中蘆葦比例的增加而增大。例如與樣品2.8相比，加入50%的蘆葦（樣品2.5）可使導(dǎo)熱系數(shù)從0.045W/（m·K）增加到0.06W/（m·K），增量為33%。此外，導(dǎo)熱系數(shù)隨粘結(jié)劑用量的增加而增大。例如，對(duì)于骨料成分相同的樣品2.3和2.11，水玻璃用量增加200g（試樣2.3）導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加23%。一般來(lái)說(shuō)，在相同配合比下，雙組分材料（見表2）的導(dǎo)熱系數(shù)高于單組分材料（見表1）。樣品2.12的導(dǎo)熱系數(shù)為0.041W/（m·K），比相同粘結(jié)劑含量的單一組分的導(dǎo)熱系數(shù)高21%（見表1樣品1.15）。實(shí)驗(yàn)過程中添加了一定量的蘆葦并不能抵消樣品的收縮。在混合過程中，一部分蘆葦被切割成更小的顆粒，從而提高了板材的密度。然而，蘆葦在樣品中難以實(shí)現(xiàn)均勻分布。如樣品2.12所示，當(dāng)苔蘚和蘆葦混合比為80:20時(shí)，密度為166kg/m3，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最低值為0.041W/（m·K）。樣品2.1中，黏結(jié)劑用量最大，苔蘚和蘆葦?shù)谋壤秊?0:50時(shí)，才能消除收縮。在其他成分中，與苔蘚板相比，樣品收縮率降低了3mm～5mm。用秸稈代替蘆葦與苔蘚混合制備的材料試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。由表3可以看出，隨著秸稈用量的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能提高。如樣品3.5和3.8中，水玻璃中用量一定，秸稈用量由44增至110g時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)從0.043W/（m·K）增加到0.056W/（m·K），增幅達(dá)30%。秸稈與苔蘚比例一定，增加黏結(jié)劑的用量可導(dǎo)致密度和導(dǎo)熱系數(shù)的增大。如樣品3.10和3.2，密度分別為156kg/m3和226kg/m3，增幅45%；導(dǎo)熱系數(shù)為0.044W/（m·K）和0.058W/（m·K），提高了32%。當(dāng)使用苔蘚和秸稈制備的樣品時(shí)，觀察到收縮率的顯著變化。在稻草和黏合劑含量最少的樣品中（試樣3.8、3.11和3.12），干燥期間材料的縱向收縮率為2mm～3mm，其他成分的樣品沒有收縮。樣品3.12的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最低值為0.037W/（m·K）。與苔蘚和蘆葦組成的樣品相比，可看出苔蘚和秸稈制備的樣品對(duì)應(yīng)的材料密度降低，如樣品3.8比樣品2.8的密度低9kg/m3。對(duì)苔蘚、苔蘚與蘆葦、苔蘚與秸稈制備的樣品進(jìn)行壓縮測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。對(duì)苔蘚構(gòu)成的單一材料來(lái)講，黏結(jié)劑用量一定時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度隨苔蘚添加量的增加而增大。苔蘚添加量一定時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度隨苔蘚黏結(jié)劑用量的增大而增大。用蘆葦或秸稈代替部分苔蘚，可提高強(qiáng)度。因此，基于苔蘚和秸稈的試樣在10%變形下的抗壓強(qiáng)度為0.30MPa，比苔蘚纖維試樣高出43%。含有苔蘚和蘆葦試樣的最高強(qiáng)度為0.27MPa，比苔蘚試樣高29%。研究還發(fā)現(xiàn)，在粘結(jié)劑用量相同的情況下，增加蘆葦或秸稈在物料中的百分比，可以提高試樣的強(qiáng)度。同樣，相同比例骨料中黏結(jié)劑用量的增加也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的增加。彎曲試驗(yàn)的結(jié)果表明，苔蘚和秸稈混合試樣的彎曲強(qiáng)度最大，比苔蘚和蘆葦?shù)幕旌衔镌嚇痈?.9倍，比苔蘚試樣高3.2倍。秸稈引起彎曲強(qiáng)度顯著提高，說(shuō)明秸稈的管狀結(jié)構(gòu)在受力過程中可承受更大的彎曲力和壓縮力，為保溫材料提供了良好的力學(xué)參數(shù)。

4結(jié)語(yǔ)

以苔蘚、秸稈和蘆葦為原料，水玻璃為黏結(jié)劑，對(duì)其保溫材料的制備及其性能進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：增加骨料和水玻璃用量可使苔蘚保溫材料的密度增加1.3～1.4倍，抗壓強(qiáng)度增加1.9～4.2倍，導(dǎo)熱系數(shù)增大1.4～1.7倍。以農(nóng)業(yè)天然原材料為基礎(chǔ)開發(fā)的新型隔熱材料，當(dāng)密度為156kg/m3～190kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.044W/（m·K）～0.046W/（m·K）時(shí)，在干燥過程中不發(fā)生體積收縮，抗壓強(qiáng)度在0.20MPa～0.21MPa之間。

作者：林憲奎 齊瑞 單位：西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西北工業(yè)大學(xué)