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由于空心球独有的特点,在隔热方面的应用逐步引起了人们的关注,普遍认为其隔热性能与空腔大小紧密关联,即与Knudsen效应一致,但对其影响因素的认识尚不完善。因此,寻求预测空心结构导热性能的合理模型、探索其结构与隔热性能之间的相互作用机制具有重要的意义。本文以SiO2空心球为例,从材料制备到导热性能检测,到模型提出和计算,再到材料的应用,较为系统地研究了结构参数与隔热性能之间的关系,主要研究内容与结果包括:
(1)基于普遍认同的Knudsen效应,探索了一种新的纳米SiO2空心球的制备方法:以Zn2+与氨水生成的沉淀物为临时模板,并以微乳液滴作为微反应器控制产物尺寸。具体而言,将分别含有Zn2+与氨水的两种微乳液混合,产生临时模板;随着第三份含有浓氨水的微乳液的加入,临时模板在导向形成SiO2壳层的同时逐步被浓氨水侵蚀,最终得到纳米SiO2空心球。该方法操作简便、能耗低、颗粒尺寸小、无需后处理。然而,利用3ω法测定的导热系数结果表明,纳米SiO2空心球的隔热效果并不理想,这与Knudsen效应存有偏差。由此推测,降低空心球空腔尺寸并不是调控其导热系数的唯一有效方法。
(2)基于有限元理论,提出了空心球的导热模型。以微乳法得到的纳米SiO2空心球为分析对象,发现导热系数模拟值与3ω法测定值接近,说明模型具有合理性。通过改变模型颗粒的空腔半径Ri、壁厚h和球壁材料导热系数λshell,在纳米、亚微米范围内,可计算得到一系列单个空心球颗粒的导热系数。数据表明:a)单个空心球颗粒的导热系数与h/Ri值紧密相关,且当h/Ri≈0.2时降至最低值;b)在h/Ri值相等的情况下,Ri越小则导热系数越低;c)球壁的种类和微结构也是重要影响因素。该模型为进一步优化空心球材料的制备工艺和结构设计提供了依据。
(3)以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,聚苯乙烯球为模板,制备了三种亚微米尺寸的SiO2空心球,由3ω法测定的导热系数均小于0.02 W·m-1·K-1,同时发现堆积密度是影响粉体空心球材料导热性能的关键因素之一,最低导热系数对应的堆积密度约为单个空心球颗粒密度的7%,此时隔热性能最佳。采用本文提出的模型和气凝胶理论对空心球导热系数进一步计算,结果均与实验测定值接近,说明亚微米SiO2空心球的确是一种性能优异的隔热材料。与纳米空心球相比,亚微米空心球的壳层厚度达几十纳米,球壳强度显著提高,有利于实际应用。
(4)以制备得到的亚微米SiO2空心球为原料,采用表面接枝技术,将空心球与聚氨酯基体复合,制备得到了透光性能良好的隔热薄膜。研究结果发现,KH550与盐酸能使SiO2空心球表面的官能团和电荷与聚氨酯基体匹配,因此空心球在聚氨酯基体中能良好分散,所得的复合薄膜导热系数低至0.05 W·m-1·K-1,且透明性并未明显降低。采用本文提出的模型计算复合薄膜的导热系数,发现模拟值与实验值接近,但复合薄膜的导热系数变化规律与单个空心球不一致,可能是由于界面热阻造成的,关于其定量计算有待进一步深入研究。