苔藓为原料制备建筑用隔热材料探讨

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摘要：本研究探讨了使用苔藓作为建筑用隔热板材料的可能性。以苔藓、秸秆和芦苇为原料，水玻璃为黏结剂，设计了不同组分的隔热材料，并对材料的热学性质和力学性质进行了测定。结果表明由苔藓和秸秆制备的复合材料密度为156kg/m3～190kg/m3、导热系数为0.044W/（m·K）～0.046W/（m·K）、干燥过程中不收缩、抗压强度在0.20MPa～0.21MPa之间，是一种性能良好的建筑保温材料。

关键词：苔藓；秸秆；芦苇；隔热材料

1前言

为了降低建筑物的能源成本，就需要选择合适的隔热材料。隔热材料的基本特性主要包括导热性、机械强度、坚固性、耐久性、耐水性等，此外还需考虑其成本和对环境的影响。随着人们环保意识的增强，建筑材料对环境的影响越来越受到关注，植物纤维，如稻草、亚麻、玉米、竹子、稻壳、木材、椰子等，在经济、能源和环境的可持续性等方面具有显著的优势，因此在建筑业中受到了广泛关注。农产品加工过程中产生的废物可通过各种处理手段得到隔热材料，从热机械性能、能量性能和成本性能以及可持续性方面考虑，农业废物是一种极具潜力的材料。这些天然材料以地毯、板或卷的形式制成，可应用于墙壁、屋顶、地板和天花板的隔热。在保温板上使用天然材料比石油副产品具有更大的优势，因为它对环境的危害较小，所含的碳和氮不会作为有害气体释放到环境中。此外，天然材料对人体健康和环境几乎没有威胁，且天然材料的能源和生命周期成本更低。使用当地的天然材料，可以减少对经济和环境的影响，并且降低对石油和不可再生能源的依赖。苔藓又名泥炭藓，生长在海拔较高的山区热带、亚热带的潮湿地或沼泽地，具有生态相容性、药用特性和低导热性的特征。本文研究探讨了将苔藓用于板材隔热材料的可行性，并对相应的性能进行测定。

2实验材料与方法

制造绝热板所用的纤维来自苔藓。苔藓是一种纤维状植物，长约50mm～100mm。苔藓收获后，首先在40℃～50℃的室内干燥6h~8h，然后切成长度为10mm～20mm的原料。秸秆和芦苇用于提升绝热材料的刚性，减少干燥过程中的收缩，秸秆和芦苇均切成15mm～20mm的长度。水玻璃作为粘合剂，硅酸盐模数为2.9，pH值为11～12，黏度为00194（N·s）/m2，密度为1.45g/cm3～1.47g/cm3，导热系数为0.23W/（m·K）。在样品制备过程中，根据样品尺寸和成分进行称重。将粘合剂和纤维混合后均匀地放入模具中并盖上盖子，施加0.2MPa的压力并保持5h～6h，随后移除，并在40℃～50℃下干燥6h～7h。实验过程中制备了不同体系的绝热材料，第一类是以苔藓为单一原料制备隔热材料；第二类是将芦苇和秸秆与苔藓混合，得到两种不同成分体系的混合料。

3结果与讨论

以苔藓为单一原料制备的样品测试结果见表1所示。由表1的数据可以看出，在黏结剂用量一定的条件下，纤维添加量从100g增加到220g（试样1.12和1.9）时，密度增加了26%，导热系数降低了31%。然而，纤维消耗量从220g增加到300g（样品1.9和1.7）时，导热系数从0.04W/（m·K）增加到0.068W/（m·K），增加了42%。水玻璃含量的增加也会引起导热系数的增加。因此，在比较样品1.3和1.9的特性时，应注意添加100g粘合剂可使导热系数和密度分别增加15%和19%。样品1.3与1.15试样相比，导热系数和密度分别提高了28%和37%。随着苔藓（大于220g）和水玻璃用量的增加，样品的导热系数和密度随之增大。这可能是由于水玻璃消耗量的增加使得通过黏合剂层的热桥增加。当苔藓用量为220g时，有可能形成最优化的致密结构，这种结果可减弱空气在隔热层的自由流动。隔热材料密度的进一步增加会导致显微结构的碎化和致密化，即纤维材料中存在的热损失。样品1.3、1.9和1.15对应的导热性最好，在这种情况下，苔藓的内部显微结构会保持得比较完整。在制造绝热板时，观察到沿长度和宽度出现7mm～8mm的收缩变形，相当于样品尺寸的6%。当与水玻璃混合时，由于其吸湿性，水会被苔藓细胞吸收，从而导致其体积增加。在干燥过程中，苔藓中的水分蒸发，尺寸减小，从而导致收缩变形。为了减少材料的收缩，在苔藓的基础上添加长度为1cm～2cm的芦苇，从而在混合料中形成相互连接的结构。对于混合骨料的总质量，采用与苔藓样品1.3、1.9和1.15（见表1）成分相对应的质量，芦苇的加入量为总骨料质量的20%～50%。用苔藓和芦苇制备的样品的试验结果见表2所示。研究发现，当粘结剂用量一定时，样品的导热系数随混合料中芦苇比例的增加而增大。例如与样品2.8相比，加入50%的芦苇（样品2.5）可使导热系数从0.045W/（m·K）增加到0.06W/（m·K），增量为33%。此外，导热系数随粘结剂用量的增加而增大。例如，对于骨料成分相同的样品2.3和2.11，水玻璃用量增加200g（试样2.3）导致导热系数增加23%。一般来说，在相同配合比下，双组分材料（见表2）的导热系数高于单组分材料（见表1）。样品2.12的导热系数为0.041W/（m·K），比相同粘结剂含量的单一组分的导热系数高21%（见表1样品1.15）。实验过程中添加了一定量的芦苇并不能抵消样品的收缩。在混合过程中，一部分芦苇被切割成更小的颗粒，从而提高了板材的密度。然而，芦苇在样品中难以实现均匀分布。如样品2.12所示，当苔藓和芦苇混合比为80:20时，密度为166kg/m3，复合材料的导热系数达到最低值为0.041W/（m·K）。样品2.1中，黏结剂用量最大，苔藓和芦苇的比例为50:50时，才能消除收缩。在其他成分中，与苔藓板相比，样品收缩率降低了3mm～5mm。用秸秆代替芦苇与苔藓混合制备的材料试验结果见表3所示。由表3可以看出，随着秸秆用量的增加，复合材料的导热性能提高。如样品3.5和3.8中，水玻璃中用量一定，秸秆用量由44增至110g时，导热系数从0.043W/（m·K）增加到0.056W/（m·K），增幅达30%。秸秆与苔藓比例一定，增加黏结剂的用量可导致密度和导热系数的增大。如样品3.10和3.2，密度分别为156kg/m3和226kg/m3，增幅45%；导热系数为0.044W/（m·K）和0.058W/（m·K），提高了32%。当使用苔藓和秸秆制备的样品时，观察到收缩率的显著变化。在稻草和黏合剂含量最少的样品中（试样3.8、3.11和3.12），干燥期间材料的纵向收缩率为2mm～3mm，其他成分的样品没有收缩。样品3.12的导热系数达到最低值为0.037W/（m·K）。与苔藓和芦苇组成的样品相比，可看出苔藓和秸秆制备的样品对应的材料密度降低，如样品3.8比样品2.8的密度低9kg/m3。对苔藓、苔藓与芦苇、苔藓与秸秆制备的样品进行压缩测试，结果如图1所示。对苔藓构成的单一材料来讲，黏结剂用量一定时，材料的抗压强度随苔藓添加量的增加而增大。苔藓添加量一定时，材料的抗压强度随苔藓黏结剂用量的增大而增大。用芦苇或秸秆代替部分苔藓，可提高强度。因此，基于苔藓和秸秆的试样在10%变形下的抗压强度为0.30MPa，比苔藓纤维试样高出43%。含有苔藓和芦苇试样的最高强度为0.27MPa，比苔藓试样高29%。研究还发现，在粘结剂用量相同的情况下，增加芦苇或秸秆在物料中的百分比，可以提高试样的强度。同样，相同比例骨料中黏结剂用量的增加也会导致强度的增加。弯曲试验的结果表明，苔藓和秸秆混合试样的弯曲强度最大，比苔藓和芦苇的混合物试样高1.9倍，比苔藓试样高3.2倍。秸秆引起弯曲强度显著提高，说明秸秆的管状结构在受力过程中可承受更大的弯曲力和压缩力，为保温材料提供了良好的力学参数。

4结语

以苔藓、秸秆和芦苇为原料，水玻璃为黏结剂，对其保温材料的制备及其性能进行了研究，主要结论如下：增加骨料和水玻璃用量可使苔藓保温材料的密度增加1.3～1.4倍，抗压强度增加1.9～4.2倍，导热系数增大1.4～1.7倍。以农业天然原材料为基础开发的新型隔热材料，当密度为156kg/m3～190kg/m3、导热系数为0.044W/（m·K）～0.046W/（m·K）时，在干燥过程中不发生体积收缩，抗压强度在0.20MPa～0.21MPa之间。

作者：林宪奎 齐瑞 单位：西安交通大学材料科学与工程学院 西北工业大学