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摘要：本研究探討了使用苔蘚作為建筑用隔熱板材料的可能性。以苔蘚、秸稈和蘆葦為原料，水玻璃為黏結劑，設計了不同組分的隔熱材料，并對材料的熱學性質和力學性質進行了測定。結果表明由苔蘚和秸稈制備的復合材料密度為156kg/m3～190kg/m3、導熱系數為0.044W/（m·K）～0.046W/（m·K）、干燥過程中不收縮、抗壓強度在0.20MPa～0.21MPa之間，是一種性能良好的建筑保溫材料。

關鍵詞：苔蘚；秸稈；蘆葦；隔熱材料

1前言

為了降低建筑物的能源成本，就需要選擇合適的隔熱材料。隔熱材料的基本特性主要包括導熱性、機械強度、堅固性、耐久性、耐水性等，此外還需考慮其成本和對環境的影響。隨著人們環保意識的增強，建筑材料對環境的影響越來越受到關注，植物纖維，如稻草、亞麻、玉米、竹子、稻殼、木材、椰子等，在經濟、能源和環境的可持續性等方面具有顯著的優勢，因此在建筑業中受到了廣泛關注。農產品加工過程中產生的廢物可通過各種處理手段得到隔熱材料，從熱機械性能、能量性能和成本性能以及可持續性方面考慮，農業廢物是一種極具潛力的材料。這些天然材料以地毯、板或卷的形式制成，可應用于墻壁、屋頂、地板和天花板的隔熱。在保溫板上使用天然材料比石油副產品具有更大的優勢，因為它對環境的危害較小，所含的碳和氮不會作為有害氣體釋放到環境中。此外，天然材料對人體健康和環境幾乎沒有威脅，且天然材料的能源和生命周期成本更低。使用當地的天然材料，可以減少對經濟和環境的影響，并且降低對石油和不可再生能源的依賴。苔蘚又名泥炭蘚，生長在海拔較高的山區熱帶、亞熱帶的潮濕地或沼澤地，具有生態相容性、藥用特性和低導熱性的特征。本文研究探討了將苔蘚用于板材隔熱材料的可行性，并對相應的性能進行測定。

2實驗材料與方法

制造絕熱板所用的纖維來自苔蘚。苔蘚是一種纖維狀植物，長約50mm～100mm。苔蘚收獲后，首先在40℃～50℃的室內干燥6h~8h，然后切成長度為10mm～20mm的原料。秸稈和蘆葦用于提升絕熱材料的剛性，減少干燥過程中的收縮，秸稈和蘆葦均切成15mm～20mm的長度。水玻璃作為粘合劑，硅酸鹽模數為2.9，pH值為11～12，黏度為00194（N·s）/m2，密度為1.45g/cm3～1.47g/cm3，導熱系數為0.23W/（m·K）。在樣品制備過程中，根據樣品尺寸和成分進行稱重。將粘合劑和纖維混合后均勻地放入模具中并蓋上蓋子，施加0.2MPa的壓力并保持5h～6h，隨后移除，并在40℃～50℃下干燥6h～7h。實驗過程中制備了不同體系的絕熱材料，第一類是以苔蘚為單一原料制備隔熱材料；第二類是將蘆葦和秸稈與苔蘚混合，得到兩種不同成分體系的混合料。

3結果與討論

以苔蘚為單一原料制備的樣品測試結果見表1所示。由表1的數據可以看出，在黏結劑用量一定的條件下，纖維添加量從100g增加到220g（試樣1.12和1.9）時，密度增加了26%，導熱系數降低了31%。然而，纖維消耗量從220g增加到300g（樣品1.9和1.7）時，導熱系數從0.04W/（m·K）增加到0.068W/（m·K），增加了42%。水玻璃含量的增加也會引起導熱系數的增加。因此，在比較樣品1.3和1.9的特性時，應注意添加100g粘合劑可使導熱系數和密度分別增加15%和19%。樣品1.3與1.15試樣相比，導熱系數和密度分別提高了28%和37%。隨著苔蘚（大于220g）和水玻璃用量的增加，樣品的導熱系數和密度隨之增大。這可能是由于水玻璃消耗量的增加使得通過黏合劑層的熱橋增加。當苔蘚用量為220g時，有可能形成最優化的致密結構，這種結果可減弱空氣在隔熱層的自由流動。隔熱材料密度的進一步增加會導致顯微結構的碎化和致密化，即纖維材料中存在的熱損失。樣品1.3、1.9和1.15對應的導熱性最好，在這種情況下，苔蘚的內部顯微結構會保持得比較完整。在制造絕熱板時，觀察到沿長度和寬度出現7mm～8mm的收縮變形，相當于樣品尺寸的6%。當與水玻璃混合時，由于其吸濕性，水會被苔蘚細胞吸收，從而導致其體積增加。在干燥過程中，苔蘚中的水分蒸發，尺寸減小，從而導致收縮變形。為了減少材料的收縮，在苔蘚的基礎上添加長度為1cm～2cm的蘆葦，從而在混合料中形成相互連接的結構。對于混合骨料的總質量，采用與苔蘚樣品1.3、1.9和1.15（見表1）成分相對應的質量，蘆葦的加入量為總骨料質量的20%～50%。用苔蘚和蘆葦制備的樣品的試驗結果見表2所示。研究發現，當粘結劑用量一定時，樣品的導熱系數隨混合料中蘆葦比例的增加而增大。例如與樣品2.8相比，加入50%的蘆葦（樣品2.5）可使導熱系數從0.045W/（m·K）增加到0.06W/（m·K），增量為33%。此外，導熱系數隨粘結劑用量的增加而增大。例如，對于骨料成分相同的樣品2.3和2.11，水玻璃用量增加200g（試樣2.3）導致導熱系數增加23%。一般來說，在相同配合比下，雙組分材料（見表2）的導熱系數高于單組分材料（見表1）。樣品2.12的導熱系數為0.041W/（m·K），比相同粘結劑含量的單一組分的導熱系數高21%（見表1樣品1.15）。實驗過程中添加了一定量的蘆葦并不能抵消樣品的收縮。在混合過程中，一部分蘆葦被切割成更小的顆粒，從而提高了板材的密度。然而，蘆葦在樣品中難以實現均勻分布。如樣品2.12所示，當苔蘚和蘆葦混合比為80:20時，密度為166kg/m3，復合材料的導熱系數達到最低值為0.041W/（m·K）。樣品2.1中，黏結劑用量最大，苔蘚和蘆葦的比例為50:50時，才能消除收縮。在其他成分中，與苔蘚板相比，樣品收縮率降低了3mm～5mm。用秸稈代替蘆葦與苔蘚混合制備的材料試驗結果見表3所示。由表3可以看出，隨著秸稈用量的增加，復合材料的導熱性能提高。如樣品3.5和3.8中，水玻璃中用量一定，秸稈用量由44增至110g時，導熱系數從0.043W/（m·K）增加到0.056W/（m·K），增幅達30%。秸稈與苔蘚比例一定，增加黏結劑的用量可導致密度和導熱系數的增大。如樣品3.10和3.2，密度分別為156kg/m3和226kg/m3，增幅45%；導熱系數為0.044W/（m·K）和0.058W/（m·K），提高了32%。當使用苔蘚和秸稈制備的樣品時，觀察到收縮率的顯著變化。在稻草和黏合劑含量最少的樣品中（試樣3.8、3.11和3.12），干燥期間材料的縱向收縮率為2mm～3mm，其他成分的樣品沒有收縮。樣品3.12的導熱系數達到最低值為0.037W/（m·K）。與苔蘚和蘆葦組成的樣品相比，可看出苔蘚和秸稈制備的樣品對應的材料密度降低，如樣品3.8比樣品2.8的密度低9kg/m3。對苔蘚、苔蘚與蘆葦、苔蘚與秸稈制備的樣品進行壓縮測試，結果如圖1所示。對苔蘚構成的單一材料來講，黏結劑用量一定時，材料的抗壓強度隨苔蘚添加量的增加而增大。苔蘚添加量一定時，材料的抗壓強度隨苔蘚黏結劑用量的增大而增大。用蘆葦或秸稈代替部分苔蘚，可提高強度。因此，基于苔蘚和秸稈的試樣在10%變形下的抗壓強度為0.30MPa，比苔蘚纖維試樣高出43%。含有苔蘚和蘆葦試樣的最高強度為0.27MPa，比苔蘚試樣高29%。研究還發現，在粘結劑用量相同的情況下，增加蘆葦或秸稈在物料中的百分比，可以提高試樣的強度。同樣，相同比例骨料中黏結劑用量的增加也會導致強度的增加。彎曲試驗的結果表明，苔蘚和秸稈混合試樣的彎曲強度最大，比苔蘚和蘆葦的混合物試樣高1.9倍，比苔蘚試樣高3.2倍。秸稈引起彎曲強度顯著提高，說明秸稈的管狀結構在受力過程中可承受更大的彎曲力和壓縮力，為保溫材料提供了良好的力學參數。

4結語

以苔蘚、秸稈和蘆葦為原料，水玻璃為黏結劑，對其保溫材料的制備及其性能進行了研究，主要結論如下：增加骨料和水玻璃用量可使苔蘚保溫材料的密度增加1.3～1.4倍，抗壓強度增加1.9～4.2倍，導熱系數增大1.4～1.7倍。以農業天然原材料為基礎開發的新型隔熱材料，當密度為156kg/m3～190kg/m3、導熱系數為0.044W/（m·K）～0.046W/（m·K）時，在干燥過程中不發生體積收縮，抗壓強度在0.20MPa～0.21MPa之間。

作者：林憲奎 齊瑞 單位：西安交通大學材料科學與工程學院 西北工業大學