蛭石及其復(fù)合隔熱材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、能源短缺是世界上所有國(guó)家面臨的共同難題,解決能源短缺最有效的途徑是節(jié)能,而節(jié)能的主要措施之一就是發(fā)展和應(yīng)用隔熱材料。膨脹蛭石不但本身具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)和體積密度,而且其顆粒表面的鱗片結(jié)構(gòu)還具有反射熱輻射的能力,是一種有潛在應(yīng)用價(jià)值的高溫隔熱材料。
　　 本文采用蛭石與鎂橄欖石復(fù)合制備出了復(fù)合隔熱材料,利用灰色關(guān)聯(lián)分析法,對(duì)膨脹蛭石-鎂橄欖石復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后工藝制備的膨脹蛭石-鎂橄欖石復(fù)合材料抗折強(qiáng)度為9.33

2、MPa,耐壓強(qiáng)度為15.74MPa,200℃時(shí),熱導(dǎo)率在0.19W/m·K左右,300℃時(shí)約為0.22W/m·K,600℃時(shí)約為0.26W/·K。
　　 基于離子極化理論和結(jié)合系統(tǒng)的固化反應(yīng)機(jī)理,分析了膨脹蛭石復(fù)合材料強(qiáng)度的影響因素,考察了磷酸二氫鋁的濃度及用量、促凝劑鎂砂的種類和MgO/P2O5摩爾比對(duì)復(fù)合材料的顯氣孔率、體積密度和力學(xué)性能的影響。為進(jìn)一步提高復(fù)合材料的高溫隔熱性能,以熱傳導(dǎo)的基本原理和協(xié)同作用原理為基礎(chǔ),選取

3、了合適的外加劑提高復(fù)合材料的隔熱性能。K2Ti6O13晶須的添加量為2wt％,二氧化鈦添加量為2wt%,添力N8wt%BiOCl的膨脹蛭石-鎂橄欖石復(fù)合材料具有最優(yōu)的隔熱性能。300℃熱導(dǎo)率為0.117W/m·K,600℃熱導(dǎo)率為0.169W/m·K,800℃時(shí)熱導(dǎo)率為0.184W/m·K,1000℃時(shí)熱導(dǎo)率為0.190W/m·K。
　　 采用原位凝膠法對(duì)膨脹蛭石進(jìn)行了改性,將膨脹蛭石微米級(jí)孔隙轉(zhuǎn)化為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米級(jí)孔隙,有效改

4、善了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了膨脹蛭石復(fù)合材料的力學(xué)性能和隔熱性能,并研究了改性膨脹蛭石的微觀結(jié)構(gòu)的影響因素。原位凝膠改性的膨脹蛭石的制備工藝為:n(環(huán)氧丙烷):n(Al):n(甲酰胺)):n(乙醇)=5.5:1:0.8:30,非臨界干燥。制備的鋁凝膠原位改性的膨脹蛭石的結(jié)構(gòu)孔隙中,構(gòu)成鋁凝膠的骨架由近似球狀的氧化鋁顆粒相互聚結(jié)而成,顆粒粒度比較均勻,平均粒徑約為40nm,顆粒間形成的孔徑約為45nm,孔徑分布較均勻。經(jīng)900℃和100

5、0℃煅燒后4h仍能保持較好的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),沒(méi)有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚或孔結(jié)構(gòu)塌陷的現(xiàn)象。
　　 改性的膨脹蛭石重量百分比越高,膨脹蛭石-鎂橄欖石復(fù)合材料的熱導(dǎo)系數(shù)越低,高溫隔熱性能越好。當(dāng)改性膨脹蛭石占蛭石總量百分比為50%時(shí),復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最低,在300℃,其熱導(dǎo)系數(shù)為0.13W/m·K,600℃時(shí)為0.1.57W/M·K,800℃時(shí)為0.169W/m·K,900℃時(shí)為0.168W/m·K。與未改性的膨脹蛭石復(fù)合材料相比,改性的膨脹

6、蛭石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率在300℃降低了約20-30%,600℃下降了30-40%,800℃和900℃約35-45%。
　　 為拓展蛭石的應(yīng)用領(lǐng)域,增加其附加價(jià)值,采用離子交換法對(duì)蛭石進(jìn)行無(wú)機(jī)改性,將聚羥基鋁離子插入到蛭石層間,利用煅燒后插層離子在層間留下的微孔和氧化物柱子,進(jìn)一步改善蛭石的微觀結(jié)構(gòu),并對(duì)蛭石柱化的影響因素和離子交換反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)做了基礎(chǔ)理論研究。XRD分析表明柱化插層后Al-柱化蛭石001晶面的層間距為18.42(A

7、),煅燒后的Al-柱化蛭石的層間距為17.26(A),通過(guò)聚羥基鋁的插層,蛭石獲得了永久的8.82(A)的層間自由空間。采用TEM,TG-DSC,XRD,FT-IR和N-吸附脫附等方法對(duì)柱化前后的蛭石微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,與蛭石原礦相比,經(jīng)過(guò)聚羥基鋁離子柱化的蛭石在熱穩(wěn)定性和層間微觀結(jié)構(gòu)都有所改善。蛭石與keggin-Al137+離子的離子交換反應(yīng)中,粒內(nèi)擴(kuò)散步驟為反應(yīng)的速控步驟,其反應(yīng)的表觀活化能為26.79kJ/mol,動(dòng)力學(xué)方程可表