發(fā)酵秸稈對建筑外墻涂料保溫性能的影響探究

中國新型涂料網(wǎng)訊：
0 引言

       能源的開發(fā)、利用與人類社會的可持續(xù)發(fā)展息息相關，然而隨著石油、煤炭等不可再生能源的過度開采，現(xiàn)存的能源儲量按目前的速度將會在一代人的時間內枯竭。因而，摒棄對化石能源的依賴、尋求新能源成為全世界亟待解決的問題。生物質能源以其獨特的優(yōu)勢在新能源的開發(fā)中占有絕對的比重。生物質能源是清潔的可再生能源，其中農作物秸稈是生物質能源的一大組成部分。由于稻谷秸稈含有大量的粗纖維和木質素，且磺化纖維素具有很強的保溫效果，因此，如何充分合理且有效地利用農作物秸稈天然資源，以實現(xiàn)資源可持續(xù)利用，對環(huán)境保護及當代農業(yè)的發(fā)展，減少石油資源的使用，都具有重要的現(xiàn)實意義。

       近年來，為貫徹國家“十二五”節(jié)能減排目標，進行的相關工作已經越來越多。建筑節(jié)能問題也迫在眉睫。據(jù)我國住建部統(tǒng)計，全國每年新建房屋面積16 億～20 億m2，其中95%以上是高耗能建筑。本課題結合當前存在的問題，意欲研究以秸稈為有機物底料發(fā)酵微生物形成的混合性保溫節(jié)能涂料性能，以期在改善當前秸稈利用現(xiàn)狀的同時提高傳統(tǒng)保溫涂料的保溫性能。

1.1 實驗材料

        苯乙烯—丙烯酸酯乳液(苯丙乳液)：固體含量48%，廣東銀洋樹脂有限公司；硅溶膠，鐵科建材有限公司；成膜助劑(TEXANOL)，四川蓉豐化工有限責任公司；云母粉,市售；滑石粉，市售；鈦白粉,市售；高嶺土，市售；增強劑，市售；消泡劑，市售；氫氧化鈉溶液；醋酸溶液；氨水(25.0%～28.0%)。

1.2 秸稈微生物發(fā)酵

       將稻谷秸稈在實驗室中風干后放入120 ℃恒溫箱中24 h，取出后用粉碎機粉碎至1～3 mm；取1.5 L 無菌水置于燒杯中，在電熱爐上加熱至30 ℃后，將15 g 百益寶混合菌種、150 g 紅糖、30 g 食鹽加入燒杯中充分混合均勻，制成發(fā)酵原水；稱取2 g秸稈碎末于培養(yǎng)皿中，倒入充足發(fā)酵原水，在37 ℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)480 h；20 d 后取出培養(yǎng)皿，秸稈碎末已變柔軟，有稍許粘稠，散發(fā)出酸甜氣味，部分培養(yǎng)皿中形成菌體團，此時微生物的營養(yǎng)物質充分，生長代謝能力強，個體數(shù)量高。在這種條件下微生物在建筑墻體涂料中生存時間是較長的。

1.3 保溫節(jié)能涂料的制備及性能測試

1.3.1 保溫節(jié)能涂料的制備

        硅溶膠涂料是繼第一代水泥涂料、第二代合成樹脂系涂料以后的第三代無機建筑涂料。研究表明，硅溶膠涂料只有與有機高分子乳液匹配才能獲得良好的涂膜性能，因此兩者的相容性就顯得尤為重要。

        前人已經將硅溶膠與一些有機高分子乳液配置成的涂料進行了比較，其中硅溶膠與苯丙乳液的相容性較好，耐水性、附著力、耐反復溫冷性、耐污性、耐老化性(1 000 h)都達到等級優(yōu)的水平。

        故本實驗選用硅溶膠—苯丙乳液及一些填料、助劑等配置成有機- 無機復合型涂料作為外墻涂料，并探討發(fā)酵秸稈對建筑外墻涂料保溫性能的影響。具體的保溫節(jié)能涂料基礎配方見表1。

保溫節(jié)能涂料基礎配方

       按表1 配比準確稱量硅溶膠、苯丙乳液和成膜助劑、分散劑于容器中，放在攪拌器下攪拌，攪拌速率約為400 r/min，混合均勻；將稱量的固體粉末(鈦白粉、云母粉、滑石粉、高嶺土)均勻混合后，緩慢添加到正在攪拌的乳液中，通過高速剪切使其分散；再加入CaCO3 晶須、消泡劑，攪勻；加入適量氨水，調節(jié)涂料pH 為8～9，加入不同量(0.5～2.5 g)的發(fā)酵秸稈，得到系列生物功能保溫節(jié)能材料。

1.3.2 性能測定

        (1)保溫性能測定：將所制的復合保溫涂料，同等質量涂覆于0.08 m×0.08 m的砂漿基材上表面，做上記號，放在通風處至涂料完全干燥。在保溫性良好的箱子上安置紅外燈，控制溫度為40 ℃。將帶有涂層的砂漿板材放置在距離紅外燈大約0.1 m 的中心處。將測溫探頭用鐵架臺固定后與基材底表面接觸，紅外燈進行照射打開5 min 后，將砂漿基材放置于自制恒溫箱中開始計數(shù)，每1 min 記錄一個數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄1 h。在相同的外界環(huán)境、加熱條件下測量底表面的溫度隨時間的變化情況。通過測定不同發(fā)酵秸稈量對保溫性能的影響，探究最合適的秸稈加入量。

        (2)平均對比溫差實驗：將自制的加入不同量發(fā)酵秸稈的保溫涂料與加入傳統(tǒng)保溫材料(硅酸鋁)的保溫涂料按上述方法測試，測得對比溫差，測3 次取平均值。

2.1 不同的發(fā)酵秸稈量對保溫性能的影響

       保溫涂料隔熱性能測試參照美國軍標規(guī)定的方法進行。

        圖1 是考察涂料配方保溫功能材料項中僅加入不同濃度梯度的發(fā)酵秸稈，其他成分、配比相同時，所制備的涂料在相同的加熱條件、涂層厚度相同時測得的溫度隨時間的變化曲線。

        應用軟件MATLAB 擬合不同溫度—時間曲線，line1～line5 分別表示添加0.5 g、1 g、1.5 g、2 g、2.5 g 發(fā)酵秸稈涂料的曲線圖，且分別記為①～⑤，從圖1 中可以看出，摻入1 g 和1.5 g 發(fā)酵秸稈的涂料升溫較快，而摻加0.5 g、2 g、2.5 g 發(fā)酵秸稈的復合保溫涂料的升溫較慢。擬合二次曲線(公式為T=at2+bt+c)及擬合優(yōu)度(可決系數(shù))R2 如下：

                          

       根據(jù)牛頓冷卻定律，Q=KA△tm，在控制總傳熱系數(shù)K 和傳熱面積A 保持一致的情況下，通過觀察溫差△tm 隨時間t 的變化來反映不同涂料的保溫性能。為了將各實驗基材的保溫性能體現(xiàn)在數(shù)學表達式上，引入溫度變化速率k 值，k 的表達式為：k=T'=2at+b (a、b：擬合曲線方程階次系數(shù))k 值越大，溫度變化速率越大，保溫隔熱性能差；k 值越小，溫度變化速率越小，保溫隔熱性能越好，①～⑤溫度變化率依次為：

 

      砂漿基材在受紅外燈照射時，隨著時間的增加，溫度變化越來越小，最后趨于平衡，溫度變化主要在于照射的前40 min 內，因此，其保溫性能的好壞也取決于前40 min 內溫度的變化趨勢。在t＜40 min，基材的溫度變化速率：k4＜k5＜k1＜k3＜k2，因此，④號基材保溫性能最好，即加入2 g 發(fā)酵秸稈的復合保溫涂料的保溫性能最佳。

2.2 最優(yōu)發(fā)酵秸稈量與對照組及傳統(tǒng)材料保溫性能的比較

在此基礎上,對比考察不加秸稈(0 g，line1)的情況，并與未發(fā)酵的秸稈(2 g，⑥，line3)和傳統(tǒng)的保溫材料硅酸鋁(2 g，⑦，line4)相比較，溫度隨時間的變化如圖2，其溫度變化率分別為：

        同理，k0＞k2 對比證明加入秸稈涂料的保溫性高于未加秸稈的保溫性。同時k4＜k6，可知在相同的條件下，發(fā)酵秸稈的保溫性能優(yōu)于未發(fā)酵秸稈,發(fā)酵秸稈微生物產生的氣體提高了保溫性。再比較4 號與7 號，k4＜k7 可知4 號的保溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)保溫材料硅酸鋁。因此，往基底涂料中加入發(fā)酵秸稈的量并不是越多越好，秸稈中含有許多復雜且難降解的物質，加入過多則會破壞原有涂料性質，造成涂料層空隙變大，通過以上實驗結果發(fā)現(xiàn)最佳加入發(fā)酵秸稈量為4 號的2.0 g。