发酵秸秆对建筑外墙涂料保温性能的影响探究

中国新型涂料网讯：
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       能源的开发、利用与人类社会的可持续发展息息相关，然而随着石油、煤炭等不可再生能源的过度开采，现存的能源储量按目前的速度将会在一代人的时间内枯竭。因而，摒弃对化石能源的依赖、寻求新能源成为全世界亟待解决的问题。生物质能源以其独特的优势在新能源的开发中占有绝对的比重。生物质能源是清洁的可再生能源，其中农作物秸秆是生物质能源的一大组成部分。由于稻谷秸秆含有大量的粗纤维和木质素，且磺化纤维素具有很强的保温效果，因此，如何充分合理且有效地利用农作物秸秆天然资源，以实现资源可持续利用，对环境保护及当代农业的发展，减少石油资源的使用，都具有重要的现实意义。

       近年来，为贯彻国家“十二五”节能减排目标，进行的相关工作已经越来越多。建筑节能问题也迫在眉睫。据我国住建部统计，全国每年新建房屋面积16 亿～20 亿m2，其中95%以上是高耗能建筑。本课题结合当前存在的问题，意欲研究以秸秆为有机物底料发酵微生物形成的混合性保温节能涂料性能，以期在改善当前秸秆利用现状的同时提高传统保温涂料的保温性能。

1.1 实验材料

        苯乙烯—丙烯酸酯乳液(苯丙乳液)：固体含量48%，广东银洋树脂有限公司；硅溶胶，铁科建材有限公司；成膜助剂(TEXANOL)，四川蓉丰化工有限责任公司；云母粉,市售；滑石粉，市售；钛白粉,市售；高岭土，市售；增强剂，市售；消泡剂，市售；氢氧化钠溶液；醋酸溶液；氨水(25.0%～28.0%)。

1.2 秸秆微生物发酵

       将稻谷秸秆在实验室中风干后放入120 ℃恒温箱中24 h，取出后用粉碎机粉碎至1～3 mm；取1.5 L 无菌水置于烧杯中，在电热炉上加热至30 ℃后，将15 g 百益宝混合菌种、150 g 红糖、30 g 食盐加入烧杯中充分混合均匀，制成发酵原水；称取2 g秸秆碎末于培养皿中，倒入充足发酵原水，在37 ℃生化培养箱中培养480 h；20 d 后取出培养皿，秸秆碎末已变柔软，有稍许粘稠，散发出酸甜气味，部分培养皿中形成菌体团，此时微生物的营养物质充分，生长代谢能力强，个体数量高。在这种条件下微生物在建筑墙体涂料中生存时间是较长的。

1.3 保温节能涂料的制备及性能测试

1.3.1 保温节能涂料的制备

        硅溶胶涂料是继第一代水泥涂料、第二代合成树脂系涂料以后的第三代无机建筑涂料。研究表明，硅溶胶涂料只有与有机高分子乳液匹配才能获得良好的涂膜性能，因此两者的相容性就显得尤为重要。

        前人已经将硅溶胶与一些有机高分子乳液配置成的涂料进行了比较，其中硅溶胶与苯丙乳液的相容性较好，耐水性、附着力、耐反复温冷性、耐污性、耐老化性(1 000 h)都达到等级优的水平。

        故本实验选用硅溶胶—苯丙乳液及一些填料、助剂等配置成有机- 无机复合型涂料作为外墙涂料，并探讨发酵秸秆对建筑外墙涂料保温性能的影响。具体的保温节能涂料基础配方见表1。

保温节能涂料基础配方

       按表1 配比准确称量硅溶胶、苯丙乳液和成膜助剂、分散剂于容器中，放在搅拌器下搅拌，搅拌速率约为400 r/min，混合均匀；将称量的固体粉末(钛白粉、云母粉、滑石粉、高岭土)均匀混合后，缓慢添加到正在搅拌的乳液中，通过高速剪切使其分散；再加入CaCO3 晶须、消泡剂，搅匀；加入适量氨水，调节涂料pH 为8～9，加入不同量(0.5～2.5 g)的发酵秸秆，得到系列生物功能保温节能材料。

1.3.2 性能测定

        (1)保温性能测定：将所制的复合保温涂料，同等质量涂覆于0.08 m×0.08 m的砂浆基材上表面，做上记号，放在通风处至涂料完全干燥。在保温性良好的箱子上安置红外灯，控制温度为40 ℃。将带有涂层的砂浆板材放置在距离红外灯大约0.1 m 的中心处。将测温探头用铁架台固定后与基材底表面接触，红外灯进行照射打开5 min 后，将砂浆基材放置于自制恒温箱中开始计数，每1 min 记录一个数据，连续记录1 h。在相同的外界环境、加热条件下测量底表面的温度随时间的变化情况。通过测定不同发酵秸秆量对保温性能的影响，探究最合适的秸秆加入量。

        (2)平均对比温差实验：将自制的加入不同量发酵秸秆的保温涂料与加入传统保温材料(硅酸铝)的保温涂料按上述方法测试，测得对比温差，测3 次取平均值。

2.1 不同的发酵秸秆量对保温性能的影响

       保温涂料隔热性能测试参照美国军标规定的方法进行。

        图1 是考察涂料配方保温功能材料项中仅加入不同浓度梯度的发酵秸秆，其他成分、配比相同时，所制备的涂料在相同的加热条件、涂层厚度相同时测得的温度随时间的变化曲线。

        应用软件MATLAB 拟合不同温度—时间曲线，line1～line5 分别表示添加0.5 g、1 g、1.5 g、2 g、2.5 g 发酵秸秆涂料的曲线图，且分别记为①～⑤，从图1 中可以看出，掺入1 g 和1.5 g 发酵秸秆的涂料升温较快，而掺加0.5 g、2 g、2.5 g 发酵秸秆的复合保温涂料的升温较慢。拟合二次曲线(公式为T=at2+bt+c)及拟合优度(可决系数)R2 如下：

                          

       根据牛顿冷却定律，Q=KA△tm，在控制总传热系数K 和传热面积A 保持一致的情况下，通过观察温差△tm 随时间t 的变化来反映不同涂料的保温性能。为了将各实验基材的保温性能体现在数学表达式上，引入温度变化速率k 值，k 的表达式为：k=T'=2at+b (a、b：拟合曲线方程阶次系数)k 值越大，温度变化速率越大，保温隔热性能差；k 值越小，温度变化速率越小，保温隔热性能越好，①～⑤温度变化率依次为：

 

      砂浆基材在受红外灯照射时，随着时间的增加，温度变化越来越小，最后趋于平衡，温度变化主要在于照射的前40 min 内，因此，其保温性能的好坏也取决于前40 min 内温度的变化趋势。在t＜40 min，基材的温度变化速率：k4＜k5＜k1＜k3＜k2，因此，④号基材保温性能最好，即加入2 g 发酵秸秆的复合保温涂料的保温性能最佳。

2.2 最优发酵秸秆量与对照组及传统材料保温性能的比较

在此基础上,对比考察不加秸秆(0 g，line1)的情况，并与未发酵的秸秆(2 g，⑥，line3)和传统的保温材料硅酸铝(2 g，⑦，line4)相比较，温度随时间的变化如图2，其温度变化率分别为：

        同理，k0＞k2 对比证明加入秸秆涂料的保温性高于未加秸秆的保温性。同时k4＜k6，可知在相同的条件下，发酵秸秆的保温性能优于未发酵秸秆,发酵秸秆微生物产生的气体提高了保温性。再比较4 号与7 号，k4＜k7 可知4 号的保温性能优于传统保温材料硅酸铝。因此，往基底涂料中加入发酵秸秆的量并不是越多越好，秸秆中含有许多复杂且难降解的物质，加入过多则会破坏原有涂料性质，造成涂料层空隙变大，通过以上实验结果发现最佳加入发酵秸秆量为4 号的2.0 g。