自膨胀闭孔泡沫陶瓷微球

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  国内外泡沫陶瓷技术现状目前国内外对多孔泡沫陶瓷材料领域及特需用途上大多分布在在高端领域但开孔型较为常见在实际应用中也较为普遍如作为液体气体过滤用的滤芯材料消声器吸声降低噪音材料催化剂载体固化醇载体等对于闭孔类型而言则基本处于一种前沿科学技术研究和高端应用状态可供定性了解参考的有价值的文献不多在北京图书市场上仅有中国科学院刘培生译著的《多孔固体结构与性能》《多孔材料引论》及罗民华编著的《多孔陶瓷使用技术》两个版本书中所涉及闭孔陶瓷部分的介绍非常有限基础性系统性的论述以及涉及生产的基本工艺方面的文字资料几乎找不到在国际国内市场上更是难觅实物特别是拥有非常良好绿色特征高效多功能且能应用于建筑节能领域的泡沫陶瓷材料无论在国际或国内还是空白我们用水热法发明的《自膨胀式泡沫陶瓷微球》填补了国内外空白且比火焰法更节能环保保温绝热是闭孔泡沫陶瓷最主要最传统的应用之一国外有关报道称世界上最好的绝热材料是ldquo真空闭孔泡沫陶瓷rdquo其传热系数比硬质聚甲酸乙酯泡沫材料还低上千倍被称为ldquo超级绝热材料rdquo它的应用也大都是在高端领域如高级保温保冷集装箱顶级产品可用于航天飞机的外壳隔热尽管目前国内有些科研机构或企业已意识到泡沫陶瓷对于建筑节能的重要意义开始关注这一新兴项目也有少量成果如2008年国内曾出现个别关于ldquo闭孔泡沫陶瓷rdquo的研发报道但从总的来看尚显某些不足已取得的物理技术性能水平较低研发成熟度处于较低级阶段因其所使用原材料的局限性地域性经济性等方面的原因很难形成跨地区的产业规模难以满足建筑及节能市场质量发展要求高数量要求巨大覆盖面广的需求缺乏普遍有效的指导意义和广泛持久的商业应用前景未注明有独立知识产权目前市场上的泡沫陶瓷主要以大块型状而存在如图泡沫陶瓷保温砖板如图泡沫玻璃保温砖板应用场景范围有限比如高铁车厢保温隔热层舰船体保温隔热层太阳能热水器外保温层蒸汽供热管道外保温层石油管道外保温层陶瓷保温砖板都无法应用另外质轻rarr低强高强rarr质重载荷能力弱抗外力能力低而且有吸水率吸湿率高的现象使得材料的保温隔热使用功能没办法得到保障粘结性不良空鼓脱落相容性差裂缝渗漏温度稳定性差材料间和易性差施工难度大技术方面的要求高质量难控制寿命短易失败气候适应性差玻璃陶瓷保温砖板自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球自膨胀式泡沫陶瓷微球的性能参数材质二氧化硅氧化铝氧化锆碳化硅氮化硼等系列粒径03mm～10mm燃烧性能A1级密度gcm3040抗压强度geMPa15～400导热系数lewmmiddotk005憎水率ge975耐火度ge℃1400自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球扫描图如图所示球体表面形貌呈现颗粒聚集状各聚集间有宽约1um间隔间隔处有约100nm大小空洞分布自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球中心剖面图自膨胀式闭孔泡沫陶瓷微球的应用夏天隔热，冬天保温建材和水泥混合和石膏混合闭孔泡沫陶瓷微球加聚合硅凝胶制成A1级保温材料防火隔离带rarr气凝胶毡是把闭孔泡沫陶瓷微球气凝胶为主体材料并复合于增强性纤维中如玻璃纤维预氧化纤维通过特殊工艺合成的柔性保温材料闭孔泡沫陶瓷微球加加聚合硅凝

  胶喷涂闭孔泡沫陶瓷微球直接制成的房顶保温隔热防老化毡自膨胀式《闭孔泡沫陶瓷微球》材料与传统保温隔热材料相比序号使用性能目前建筑领域的热点难点问题《闭孔泡沫陶瓷微球》的亮点及贡献1质轻高强高硬质轻rarr低强高强rarr质重载荷能力弱抗外力能力低作为轻质高强材料可提高墙体强度增加刚性降低建筑重量减少建筑负荷降低建筑形变提升抗震抗外力破坏2保温夏天隔热，冬天保温墙隔热差或隔热强保温差可靠性低易老化变质腐蚀变形粘结性不良空鼓脱落相容性差裂缝渗漏化学及温度稳定性差保温体系技术结构较为复杂材料间和易性差施工难度大技术方面的要求高质量难控制寿命短易失败气候适应性差作为高效保温隔热微球材料单材全无机全天候全环境无使用限制的既保温又隔热超长寿命材料可长期保证维护体系节约能源的效果提高体系使用效果的可靠性一致性延长材料的服役时间和建筑的使用的时间根治建筑节能体系存在的ldquo原发性质量通病3防火阻燃保温材料有机易燃具有火灾隐患可作为建筑防火材料彻底杜绝由于保温材料导致的火灾事故4防水防潮大多数建材存在吸水率吸湿率高的现象使得材料的保温隔热使用功能没办法得到保障作为刚性防水保温隔热材料有利解决材料保温性能好防水能力差的矛盾适用于建筑物各需要防水防潮部位对提高建筑防水防潮维持建筑功能的长效性提供保障作用5隔音降噪随着现代步伐和城市扩展建筑物越来越受易受环境噪声污染可作为隔音降噪材料大范围的应用于建筑物内外墙隔音地铁隧道降噪内衬燥音源隔音屏蔽等许多场合对防止噪声污染提高建筑物隔燥音能力提高居住舒适度营造人类安宁生活环境具有积极的建设性的意义6定型问题传统材料定型困难问题多费工费时质量难保证方便卷材板材制作又可方便和水泥等材料混合使用还可方便喷涂墙面和屋顶等狭缝隔层又方便灌浆填充7绿色环保非生态材料在原料领域现有的热点问题如有机材料因热分解会释放毒气生产的全部过程也使用有毒助剂回收难难降解难再生当今白色污染造成生态破坏难以修复又如石棉它的最大危害来自于它的纤维这是一种非常细小肉眼几乎看不1作为绿色生态建筑材料替代对石油等优质稀缺高度依赖的建筑材料对人体生态环境有毒有害有污染有潜在灾害的建筑材料易失败可靠性差易出质量事故的材料和体系2全面替身建筑功能与质量增加安全性舒适性改善室内外居住环境增加有效使用面积3大幅度提高建筑材料及结构体系的耐久见的纤维当这些细小的纤维释放以后会长时间浮游于空气中容易被人体吸入石棉粉尘进入人体后在肺部逐渐沉积导致肺部组织纤维化胸膜增厚称之为石棉肺还能诱发支气管肺癌胸腹膜间皮瘤和其他恶性肿瘤性可靠性延长服役寿命可百之百重复利用对材料的ldquo双耗rdquo在某一些程度上具有ldquo终结rdquo意义节约能源实现更高意义上更高层面上的绿色环保节约世界资源从大到石油天然气管道小到热水管的保温隔热填充应用热水器空调冰箱等家电夏天隔热，冬天保温许多电器的隔热保温层是异形体又要求防止火灾阻止燃烧不老化必须由闭孔泡沫陶瓷微球填充才行自膨胀式《闭孔泡沫陶瓷微球》材料在飞机汽车高铁等夏天隔热，冬天保温层中使用五大特色保温隔热防止火灾阻止燃烧抗冲击比如2014年7月19日沪昆高速惨烈车祸已致38

  死如果这大巴使用《闭孔泡沫陶瓷微球》材料填充保温隔热层它既能防火阻燃耐高温又环保无毒许多乘客就可保住生命安全撤离了四自膨胀式《闭孔泡沫陶瓷微球》材料在防护工程中的应用《闭孔泡沫陶瓷微球》材料是内含大量空穴而又具有三维胞体结构的材料而薄壁壳体结构做为吸能缓冲元件具有韧性好强度高的优势空壳颗粒材料是防护工程领域涌现的一种新型防护材料兼具泡沫材料和薄壁壳体结构的双重特性其高比吸能特性的研究已慢慢的变成为材料力学和固体力学中的前沿课题引起了众多学者的广泛关注泡沫材料与薄壁结构结合后在吸收能量方面还能产生相互作用效应即填充结构的吸能效果大于相同加载条件下独立的泡沫材料和独立的薄壁结构的吸能效果之和在承受冲击波载荷时由于壳间空穴对应力波的绕射和隔离效应在进一步减轻材料重量的同时还大大增强了材料对波的弥散和衰减效应而壳体结构又增强了材料的强度因此在冲击动力学和人防工程等领域内具有广阔的应用空间1《闭孔泡沫陶瓷微球》空壳颗粒球具有孔隙率大阻抗低的特点作为分配层时通过应力波的绕射和反射卸载等作用使得冲击波的峰值强度较使用黄沙作为分配层是降低40以上即使在二次重复加载下也拥有非常良好的削波吸能作用2《闭孔泡沫陶瓷微球》空壳颗粒球作为成层式结构的分配层对爆炸波有着非常强的耗散和弥散作用能延续冲击波作用实验使陡峭的冲击载荷变得平缓能够降低由脆性材料构成的底部主结构的局部破坏比如利用工程措施减弱或隔断武器效应对特定目标破坏作用保护人员安全的设施在战争中肩负着抵抗常规武器直接命和核武器非直接命中的使命地下掘开浅埋式防护结构是防护工程的一种最常见形式最早期的浅埋式防护工程多为单层的砖石结构抵抗能力较弱二十世纪初期随着火炮口径的逐渐增大炮弹威力的增加混凝土等材料被逐渐用来对单层的砖石防护工程做加固在反复实验过程中研究者发现加固层和原本结构之间加一层厚度1米左右的砂层可以较为有效地减轻结构震塌这样就构成了几种不同介质材料组成的防护层也就发展成为典型的成层式防护工程其结构包括伪装覆土层遮弹层分配层和底部整体的结构几个部分典型的成层式防护工程如图11所示在战场上爆炸强冲击波是杀伤对方人员的重要手段冲击波可以直接对人体内脏产生冲击伤也能够最终靠使结构产生层裂碎片间接对人员进行打击分配层的功能正是分散炮航弹冲击和爆炸载荷的作用吸收削弱屏蔽爆炸波减少反射拉伸波引起的底部整体的结构地板的层裂破坏削弱爆炸引起的震塌作用来保证人员安全普通泡沫陶瓷材料是内含大量空穴而又具有三维胞体结构的材料质地轻拥有非常良好的隔音隔热减震和吸能性但是韧性较差强度不高而《闭孔泡沫陶瓷微球》有薄壁壳体结构做为吸能缓冲元件具有韧性好强度高的优势《闭孔泡沫陶瓷微球》材料是防护工程领域涌现的一种新型防护材料兼具泡沫材料和薄壁壳体结构的双重特性其高比吸能特性的研究已慢慢的变成为材料力学和固体力学中的前沿课题引起了众多学者的广泛关注球形夹芯结构梁的弯曲性能其夹芯球分别使用乒乓球和空心氧化铝球制的泡沫材料与薄壁结构结合后在吸收能量方面还能产生相互作用效应即填充结构的吸能效果大于相同加载条件下独立的泡沫

  材料和独立的薄壁结构的吸能效果之和在承受冲击波载荷时由于壳间空穴对应力波的绕射和隔离效应在进一步减轻材料重量的同时还大大增强了材料对波的弥散和衰减效应而壳体结构又增强了材料的强度因此在冲击动力学和人防工程等领域内具有广阔的应用空间小结《闭孔泡沫陶瓷微球》兼具泡沫材料和薄壁壳体结构的双重特性五泡沫陶瓷微球在煤矿瓦斯爆炸中对火焰传播的淬熄作用煤矿目前主要是采用隔爆水棚或岩粉棚来抑制瓦斯爆炸火焰传播但此类技术仅针对一次性瓦斯爆炸而缺乏对多次及连续瓦斯爆炸的有效阻隔爆手段仅注重对燃烧波的淬熄作用对造成很大破坏的冲击波的衰减效果不足《闭孔泡沫陶瓷微球》空壳颗粒球的淬熄火焰和衰减冲击波的效能已得到国内外专家的重视《闭孔泡沫陶瓷微球》作为一种内壁多孔介质具有表面开孔率大耐高温抗冲击力强的优点理论分析和实验研究表明由于壁面的多次撞击效应多孔介质可以轻松又有效地销毁瓦斯燃烧化学反应产生的自由基数量抑制化学反应的放热使化学反应不能自持进行进而淬熄燃烧火焰传播可以大幅衰减瓦斯爆炸的冲击波强度起到同时淬熄燃烧火焰和衰减冲击波的作用比如二氧化硅基体材料的《闭孔泡沫陶瓷微球》对瓦斯爆炸过程的影响规律发现《闭孔泡沫陶瓷微球》对瓦斯爆炸超压的衰减作用十分明显最大衰减量能够达到50而闭孔泡沫材料以其完整的胞体结构相比开孔泡沫陶瓷有更好的力学性能和吸能效果虽然泡沫铝和聚氨酯硬质泡沫在压缩过程中拥有大的塑性应变和优异的吸能特性相对更为廉价闭孔泡沫陶瓷应该在抑制瓦斯爆炸的应用研究中应更加获得重视六灭火剂材料众所周知灭火剂是可以有明显效果地的在燃烧区破坏燃烧条件达到抑制燃烧或终止燃烧的物质常见的灭火剂有干粉泡沫卤代烷二氧化碳清水等灭火剂对有机燃油如柴油汽油的着火通常使用干粉二氧化碳灭火剂灭火但对大量的柴油汽油的着火如大型油鑵的着火普通灭火剂则难于发挥其灭火的效果通常情况下一般都是让其燃烧并在槽鑵表面喷水降温避免爆炸这样会产生大量的有毒有害的废气并造成高昂的经济损失由于本产品陶瓷空心球的密度小可浮于油面上且能耐高温当大量的陶瓷空心球漂浮在油上时可隔热使燃烧的油气产生的热量不能加热油面减少燃油蒸发进而阻止燃油进一步燃烧同时由于本陶瓷空心球与油不相溶且漂浮在油面上不会沉降在油鑵底部不会对燃油品质造成破坏且易于回收有效地降低因着火产生的经济损失七《闭孔泡沫陶瓷微球》作为环保污水处理载体材料随工业进步和社会持续健康发展水污染的问题越来越严重据环境部门监测全国城镇至少有1亿td污水未经处理就直接排入水体中全国七大水系中一半以上河段的水质受到污染13的水体不适于鱼类生存90的城市水域污染严重50的城镇水源不符合饮用水标准水体污染不仅影响工业生产及产品质量腐蚀设备而且还影响人民生活危害人的健康破坏生态解决生活工业污水净化问题提高水处理效率已成燃眉之急目前多孔陶瓷陶粒主要用作吸附过滤介质及生物滤池的载体材料因多孔陶瓷材质能在强酸强碱环境中使用比有机材料有更好的吸附性及对生物的亲和性处理效率高等优点同时因质量大稳定性重复利用性低等缺陷我们研究的闭孔泡沫陶瓷微球克服传统陶粒的缺陷由于表面

  有羟基易于将生物菌附着在其表面又有保持温度效果关键是陶瓷微球漂浮在水面非间接接触空气中氧以及阳光照射的光合作用减少曝气池的能源消耗更适合作生物滤池载体材料蓝藻是原核生物又叫蓝绿藻蓝细菌大多数蓝藻的细胞壁外面有胶质衣又叫粘藻没有细胞核细胞中央有核物质通常呈颗粒状或网状染色质和色素均匀的分布在细胞质中核物质没有核膜和核仁具有核的功能故称为原核或拟核蓝藻中有环状DNA质粒担当运载体的作用蓝藻大量出现时附近水体一般呈蓝色或绿色水面被厚厚的蓝绿色湖靛所覆盖被风吹到岸边堆积不但会发出恶臭味且含毒素的蓝藻细胞在水体中漂游当与某些悬浮物络合沉淀或被养殖对象捕食后随其排泄物沉淀在鱼池池底富集对无公害水产品生产会带来非常大的负面影响蓝藻中的项圈藻可快速产生致死因子破坏养殖对象的鳃组织干扰其新陈代谢的正常进行麻痹神经使其死亡蓝藻中个别种不但活体带毒而且死亡个体分解会产生生物毒素mdashmdash蓝藻毒素如微囊藻毒素蓝藻毒素量多时可直接造成养殖对象中毒死亡或者即使数量少也可通过食物链积累效应危害养殖对象直至危害人体八《闭孔泡沫陶瓷微球》吸附湖泊中的蓝藻《闭孔泡沫陶瓷微球》球体表面形貌呈现颗粒聚集状各聚集间有宽约1um间隔间隔处有约100nm大小空洞分布用《闭孔泡沫陶瓷微球》处理泼洒闭孔泡沫陶瓷微球10公斤亩使之絮凝蓝藻见右图第二间隔3mdash4小时后将絮凝蓝藻的闭孔泡沫陶瓷微球一起打捞起来用高压水冲洗球藻分离再将球投入循环使用第三平衡氮磷比例通过泼洒无机磷改变氮磷的比例加快培育绿藻和硅藻等有益藻类快速生长成为优势藻种来抑制蓝藻生长从而改善蓝藻过度繁殖的状况九《闭孔泡沫陶瓷微球》浮油的连续收集频繁的石油泄漏事故对海洋ECO和滨海环境带来非常大的破坏商用的撇油器处理粘度较大的重油很有效但对于粘度较小的石油由于其扩散面积大油层薄等特点很难利用传统的围油收集方式来清理采用分散剂微生物富养化以及燃烧等手段不仅对生态环境带来二次破坏或污染而且浪费日益短缺的能源油品因此逐步发展新材料新技术来高效清理并回收水面低粘度浮油和不溶于水的碳氢化物已是迫在眉睫近年来由于多孔疏水亲油材料表现出优异的油水分离性能使其在处理水面浮油领域受到了广泛的关注然而这些多孔疏水亲油材料的吸油容量有限消耗量大因而对这些材料的运输播撒以及回收都带来非常大的困难加上后期回收浮油的操作复杂成本高昂阻碍了多孔疏水亲油材料的商业化应用进程《闭孔泡沫陶瓷微球》表面具有细小的沟道孔洞布满大量毛细沟道毛细现象具有超强力的吸水吸油性油水更容易离心分离或洗脱回收集油污的最佳首选十《闭孔泡沫陶瓷》在催化反应器中的应用20世纪以来化学工业的品种和规模的巨大增长无不借助催化剂从世纪初合成氨的工业化50年代以后石油化学工业和高分子工业的兴起乃至60年代以后解决环境保护问题都和使用催化剂有关现代化的化工和石油工艺流程约90是催化过程催化剂催化剂是一种物质它能加速反应的速率而不改变该反应的标准Gibbs自由焓变化催化反应涉及催化剂的反应称催化反应均相催化反应非均相催化反应

  活性物质催化剂中真正起催化作用的组分它常被分散固定在多孔物质的表面金属金属氧化物载体担体载体常常是多孔性物质最大的作用是提供大的表面和微孔使催化活性物质附着在外部及内部表面《闭孔泡沫陶瓷微球》球体表面形貌呈现颗粒聚集状各聚集间有宽约1um间隔间隔处有约100nm大小空洞分布比表面积大硬度高导热性好耐热耐高温孔结构多种多样表面积随制法而变化载体自身亦能提供活性中心其它领域应用我们还在寻找之中也在进一步认证和测试十一《微米级闭孔泡沫陶瓷》在雷达隐身材料的上应用新型隐身材料则需要满足ldquo轻薄宽强多rdquo等多项要求ldquo轻rdquo是指材料的品质轻ldquo薄rdquo是指材料厚度薄ldquo宽rdquo是指隐身的频段要宽雷达吸波材料的吸波频段需覆盖为120GHz的宽频带ldquo强rdquo是指隐身材料吸波性强ldquo多rdquo则是指隐身材料的功能多不仅要能吸收雷达波而且还要能抑制红外辐射等未来的隐身材料应满足多频谱隐身环境自适应耐高温耐海洋气候及抗核辐射等更高的要求以应对未来战争的需求因为《闭孔泡沫陶瓷》其独特的表面结构以此为基核在其表层沉积纳米纳米粒子其纳米粒子表面积比粗粉大34个数量级对电磁波的吸收效率也高而且由于纳米粒子的量子尺寸效应宏观量子隧道效应以及界面效应等作用使由纳米粒子组成的块体材料在光电磁等物理性质方面发生了质的变化不仅磁损耗增大而且兼具有吸波透波偏振等各种功能并能与结构复合材料或结构吸波材料复合是一种极有发展前途的隐身吸波材料举例说明钴铁氧体磁性微粉具有独特的物理特性化学特性与磁特性例如其矫顽力和电阻率能够达到比磁性合金高几十倍的水平高频磁导率较高单元铁氧体在室温下的磁晶各向异性常数可高达约27times105Jm3化学性能稳定且耐腐蚀耐磨损另外钴铁氧体磁性微粉可当作一种重要的微波吸收剂使用这还在于在微波频率C波段与Ku波段能保持比较高的复数磁导率实部和虚部钴铁氧体磁性材料用化学共沉淀法在《微米级闭孔泡沫陶瓷》即可雷达吸波《微米级闭孔泡沫陶瓷》涂料每辆坦克只需花一点点费用就可获得涂层薄吸收率高和吸收波带宽的隐身涂层有极高的军事利用价值它采用金属铁氧体等纳米微粒与聚合物形成的型复合涂层和采用多层结构的2-3型复合涂层能吸收和衰减电磁波和声波减少反射和散射进而达到电磁隐身和声隐身的作用这在潜艇等领域也有广泛应用前景十二IC封装填料近几年我国集成电路IC得到了快速的提升每年的上涨的速度都超过30％环氧塑封料是IC封装的重要支撑材料同样硅微粉是环氧塑封料的重要支撑材料电子级硅微粉在IC环氧塑封料中占70的填充量目前就IC封装用硅微粉的国内年需求量约为5万吨每年的上涨的速度都超过20％随着国内IC产业的发展和企业技术进步目前汉高华威长兴电子长春住友中科院等国内外著名的塑封料厂家球型硅微粉的用量已达5000吨的市场规模而国内没有一家公司产业化生产球型硅微粉火焰法生产球型硅微粉最常见但是我们发明的水热法生产的《微米级闭孔泡沫陶瓷》它相对火焰法解决了在颗粒粒径不标准的难题同时更节能更环保

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