地质聚合物的热性能分析

无机聚合材料，又称为地质聚合物 (Geopolymer)，是一种新兴的材料，它兼具无机物、陶瓷、水泥的特性，又是一种性能优异的新型凝胶材料 (碱激发凝胶材料，Alkali-activated cementitious material)。它在抗压能力、抗腐蚀性、耐久性的性能，都比一般波特兰水泥还强。加上地质聚合物，可使用工业废料 (如高温炉渣、飞灰) 来制造，在当今环境意识抬头的今天，无机聚合材料成为炙手可热的研究对象，并可取代天然需要开采的水泥产品。

目前，无机聚合材料物常见的应用包括：

• 阻燃粘合剂
• 耐火、耐热冲击材料
• VLO飞机跑道
• 热防护涂层

这些地质聚合物的应用，需要各种热特性分析，来了解其有效性与适用性，如地质聚合物的热传导率、热膨胀率。以下便为您介绍几种新兴的地质聚合物，采用 C-Therm 的热传导仪，热膨胀仪，分析出这些地质聚合物重要的热特性。

下面这些是一些新兴的无机聚合材料：

无机聚合材料名称	材料构成
GP 膏状	Geopolymer Paste
GP5W	GP with 5 volume % of Nyad MG wollastonite
GP5A	GP with 5vo|ume%of -325 pound milled alumina
Geopolymer Foam 发泡材	Metakaolin based geopolymer foam
GP42A2.5W	GP plus 42 volume % alumina and 2.5 volume % wollastonite
GP53A2W	GP plus 53 volume % graded alumina and 2 volume % wollastonite

研究案例

在这个研究中，无机聚合材料的热传导率，是由 C-Therm 的 TCi 改良式瞬态平面热源法 (MTPS) 热传导仪所量测。样品经过4小时的预先烧结。

而热膨胀率，是在 1200°C 的高温加热过程，以 C-Therm 的 DiL 热膨胀仪所量测，升温率是每分钟5°C，采用的预设温度曲线函数，是由室温到1150°C，以NIST “SRM 738 Single-Crystal Sapphire Contact Force: 1N” 这个标准物质所建立出来。

上表中的各个地质聚合物，在室温、100°C、200°C的条件下，具有以下的热传导率：

地质聚合物 GP42A2.5W，在热膨胀仪高温炉第一次加温的过程中，显示了以下的热膨胀率，如同一般的地理聚合物：

然而 GP5W 这种无机聚合材料，比较特殊，可以看到在1100°C左右，有第二次材料的密化(Densification)或化学反应出现，温度为 Td，这很值得进一步研究。

在进一步研究后发现，在加热到 1000°C 之前，材料的热膨胀是正常的，也没有相变、没有玻璃转化出现。但超过 1000°C 以后，出现玻璃转化，在从1100度开始，出现第二次密化：

在这个实例中，有六种地质聚合物利用 C-Therm 的热传导仪与热膨胀仪测出热传导率与热膨胀率。其中四种地质聚合物材料具有明显的热膨胀性能，还有两种聚合物，在烧结前与烧结后，有明显的差异。

从测试结果来看，地质聚合物发泡材，有最好的隔热能力。而 GP42A2.5W 这种地质聚合物材质，有最好的导热率。且由 C-Therm 的热传导仪与热膨胀仪的测量数据可得知，地质聚合物在1000°C以下，没有相变也没有玻璃转化的材料特性。

C-Therm 热传导仪、热膨胀仪

加拿大 C-Therm 仪器公司，是一家专注于热传导率与热膨胀率量测量测的专业公司，其热传导仪 TCi 与热膨胀仪 DiL 产品，是目前市面上测量速度最快、操作最单纯的仪器。

C-Therm 的热传导仪 TCi，不像它牌仪器需要复杂样品前处理，复杂的样品装置过程、出来的数据还需要其他已知参数运算。C-Therm 的热传导仪，只要把感测器贴上样品，直接就能得到样品的热传导率 (Thermal Conductivity, 单位W/m.K)、与热逸散率 (Thermal Effusivity)，不需要样品前处理 (前提是样品能够平整贴上感测器)，而且不需要任何其他已知参数 (不需要比热、密度等资料) 来运算。也不像某些号称热传导仪的仪器，量测到的只是热阻值，还需要经过运算才能获得热传导率。而且可以接受大部分形式的样品，固态、液态、粉状、膏状 (不会永远沾黏在感测器上，可以洗掉的)....。

另外，C-Therm 的热传导仪 TCi 与热膨胀仪 DiL，是目前市场上整合度最高的，只要将一部主机接上电脑，便能同时操控热传导仪的感测器，与热膨胀仪的高温炉与距离感测器。更棒的是，一整套热传导仪加上热膨胀仪的价格，也让人惊艳。