玻璃纤维增强高岭土基多孔隔热材料的性能研究与应用前景

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玻璃纤维增强高岭土基多孔隔热材料的性能研究与应用前景（ DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e03879）

随着建筑节能和可持续发展的需求不断增长，开发具备低导热系数、良好力学性能和高温稳定性的无机隔热材料成为研究热点。本文基于Feng等人发表于《Case Studies in Construction Materials》的研究，系统介绍了以高岭土（Kao）和水玻璃为主要原料，采用化学发泡工艺制备的多孔隔热材料，并重点分析了玻璃纤维（GF）掺量对其微观结构、力学性能与隔热性能的影响。研究表明，适量GF的引入可显著提升材料强度并降低热导率，而热处理则进一步优化了其隔热性能。该材料在高温环境下表现优异，具有良好的应用前景。

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关键词：高岭土；玻璃纤维；多孔材料；导热系数；力学性能；热处理

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一、研究背景建筑能耗在全球能源消耗中占据重要比例，而热绝缘材料是实现建筑节能的关键。传统有机隔热材料如聚苯乙烯、聚氨酯等虽具备低热导率，但存在易燃、环保性差等问题。相比之下，无机隔热材料具备更好的防火性和耐久性，但其力学性能普遍较弱。为克服这一问题，研究者尝试引入增强纤维，其中玻璃纤维因其优异的力学性能、耐热性和低成本而被广泛关注。

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二、材料制备与实验方法本研究以高岭土（Kao）和水玻璃（WG）为主要原料，添加不同质量分数（0–25 wt%）的玻璃纤维，采用化学发泡法（H₂O₂为发泡剂）制备多孔隔热材料。样品经室温固化、低温干燥后，一部分进行400°C热处理以考察其热稳定性。
通过XRD、FTIR、SEM等手段分析材料的相组成、化学结构和微观形貌，同时测试其密度、孔隙率、抗压强度（CS）和导热系数（TC），并在模拟高温环境下评估其隔热性能。

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三、主要研究结果1. 微观结构变化SEM观察显示，随着GF掺量增加，材料孔径先增大后减小，孔隙形貌由规则球形逐渐变为不规则多边形。15 wt% GF时孔壁厚度适中，孔隙连通性增强，有利于形成稳定的多孔结构。热处理后，孔壁出现微裂纹和二次孔隙，表明GF在高温下与基体界面结合力减弱。
2. 孔隙率与密度变化GF掺量为5 wt%时，孔隙率由86.6%提升至90.5%，密度从0.178 g/cm³降至0.151 g/cm³。热处理后，所有样品孔隙率进一步提升，主要由于水分蒸发和CTAB分解所致。但当GF掺量超过20 wt%时，纤维团聚现象加剧，孔隙率提升幅度减小。
3. 力学性能分析未热处理样品中，15 wt% GF掺量时抗压强度达到最大值1.06 MPa，强度-密度比高达4.36，表现出良好的力学效率。热处理后，由于界面结合力下降和微裂纹扩展，抗压强度普遍下降，最低降至0.09 MPa（25 wt% GF）。因此，GF掺量应控制在15 wt%以内，以兼顾强度与稳定性。
4. 导热系数变化GF的引入显著降低了材料的导热系数。未热处理样品中，20 wt% GF时TC降至0.070 W/(m·K)，较未添加GF样品下降15.7%。热处理后，15 wt% GF样品TC进一步降至0.050 W/(m·K)，优于大多数文献报道的无机多孔材料。这主要归因于孔隙率提升和GF本身低热导率的协同作用。
5. 高温隔热性能模拟在45°C热平台模拟夏季高温环境下，15 wt% GF样品（A4，未热处理；B4，热处理）表面温度显著低于普通砖块和高岭土块。最终表面温度分别为37.2°C和36.5°C，较砖块低4.4–5.1°C，表现出优异的隔热性能。

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四、性能对比与优势分析与文献中其他无机多孔隔热材料相比，本研究制备的GF增强高岭土基材料具备以下优势：

• 导热系数低：热处理后TC仅为0.050 W/(m·K)，远低于常见的地聚物泡沫材料（0.08–0.12 W/(m·K)）；
  
• 强度-密度比高：未热处理样品强度-密度比达4.36，优于多数同类材料；
  
• 制备工艺简单：采用常温发泡+低温固化+中温热处理，能耗低，适合规模化生产；
  
• 原材料来源广：高岭土与玻璃纤维均为廉价、易得的无机材料，具备良好的经济性。
  
  

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五、结论与展望本研究成功制备出一种性能优异的高岭土基多孔隔热材料，系统评估了玻璃纤维掺量对其微观结构、力学性能与隔热性能的影响。结果表明：

• 15 wt% GF掺量为最佳配比，兼具高强度与低热导；
  
• 热处理可显著提升隔热性能，但会削弱力学强度；
  
• 材料在高温环境下表现出良好的热绝缘能力，适用于建筑外墙、屋顶、工业管道等场景。
  
  

未来研究可进一步探索GF表面改性、复合纤维协同增强及疏水处理等手段，以提升材料的综合性能与环境适应性。该类材料有望在绿色建筑、节能改造和高温隔热领域发挥重要作用，为实现“双碳”目标提供材料支撑。