硼硅酸盐保温泡沫的耐水性研究

At present, borosilicate thermal insulation foam, due to its excellent thermal insulation performance and low density, has the development potential of the inorganic exterior wall thermal insulation material candidates. This research work mainly focuses on the water resistance of the borosilicate thermal insulation foam. Firstly, the borosilicate thermal insulation foam is fabricated using sodium silicate and boric acid/borate as the raw materials, and the composition and structure characteristics of the borosilicate thermal insulation foam are deeply studied. Then the water corrosion test is carried out to research the interaction mechanism of the borosilicate thermal insulation foam and water, and thus the water corrosion model can be established. Moreover, the influence laws of the composition and structure of the borosilicate thermal insulation foam, such as R2O/B2O3, the type of alkali metal oxide, "mixed alkali effect", and the pore distribution, on the substrate structure of the borosilicate thermal insulation foam before and after the experiment, the element composition of the dissolved liquid, the mass loss of the borosilicate thermal insulation foam, and the dissolution rate are also investigated in detail. Finally, based on the above results, the borosilicate thermal insulation foam is modified to improve the water resistance, and then the overall performance of the borosilicate thermal insulation foam is optimized. This research work will help the industrialization of the borosilicate thermal insulation foam, and enrich the inorganic thermal insulation material types. Also, it can fundamentally solve the inflammability and fire control problems of the organic exterior wall thermal insulation materials. Therefore, it has important practical significance for social public safety.

目前，硼硅酸盐保温泡沫由于其杰出的保温绝热性能和低密度成为具有发展潜力的无机外墙保温材料候选。本项目针对硼硅酸盐保温泡沫存在的耐水性问题开展研究，首先利用水玻璃及硼酸和硼酸盐等制备出硼硅酸盐保温泡沫，并深入了解硼硅酸盐保温泡沫的组成结构特征。之后利用水腐蚀实验系统地研究硼硅酸盐保温泡沫与水相互作用机理，建立水腐蚀模型，同时揭示材料组成结构如R2O/B2O3、碱金属氧化物种类、“混合碱效应”、孔隙分布等对实验前后硼硅酸盐保温泡沫的基体结构、溶出液元素成分、质量损失、溶出率等参数的影响规律，进而针对性采取改性措施，改善材料的耐水性能，并对硼硅酸盐保温泡沫的整体性能进行优化。本项目有助于进一步促进硼硅酸盐保温泡沫工业化，并且丰富目前无机保温材料种类，从根本上解决有机外墙保温材料的易燃和消防问题，对于社会公共安全具有重要的现实意义。

水玻璃基保温泡沫存在耐水性不足的问题。本项目利用硼酸和硼酸盐等改性水玻璃保温泡沫，研究改性后硼硅酸盐保温泡沫的化学组成结构特征以及对物理性能的影响规律。利用水浸出实验研究改性的硼硅酸盐保温泡沫与水相互作用机理，揭示材料化学组成结构对其耐水性的影响规律。.1）硼酸、四硼酸钠以及四硼酸锂改性后的材料主体结构为Si-O-Si网络结构。但硼酸根离子会导致材料结构中-OH基团的数量明显下降，并改变结构中Si-O四面体的框架结构，使材料Si-O网络结构中Q4结构明显减少，且主要存在Q2和Q3结构。三种添加剂的影响效果排序为四硼酸锂＞硼酸＞四硼酸钠，说明除了硼酸根会影响材料的结构和性能外，“混合碱效应”的影响同样显著。.2）硼酸及硼酸盐的添加导致材料抗压强度有较大提升，但超过3 wt.%添加量后材料的孔隙率会大幅下降，导致材料的保温性能不佳。.3）水中的离子会攻击Si-O-Si结构导致其断裂。添加硼酸及硼酸盐之后，材料的结构中-OH基团的数量大幅下降，造成材料对水的吸附性能下降。在浸水过程中，部分B-O键断裂，析出部分[BO3]结构，对Si-O网络结构起到一定的保护作用。同时，Si-O-B结构导致了整体结构的负离子状态，对于阳离子等具有更强力的吸附作用，使得样品内部的网络结构化学性能更加稳定，使其不易被破坏和分解。对比三种添加剂，在耐水性方面四硼酸锂优于硼酸优于四硼酸钠。.4）硼酸及硼酸盐能够提高材料的软化系数，其作用四硼酸锂＞硼酸＞四硼酸钠。利用硼酸改性后，当添加量为4 wt.%时，浸水1 h后的软化系数可达0.877，增幅为69%；24 h后软化系数仍然可达0.742，增幅为196.8%。.5）硼酸及硼酸盐能够抑制材料中钠离子与硅酸根离子的浸出，对材料起到保护作用。由于存在混合碱效应并生成不溶物，四硼酸锂的抑制效果最佳，其次为硼酸及四硼酸钠。.6）通过对材料抗压强度、孔隙率及软化系数等性能的综合比对，优化后的配方为，水玻璃模数为3.0左右，添加剂为硼酸时其添加量应大于3 wt.%，而添加剂为四硼酸锂时，其添加量应低于2 wt.%。