周 波，程向明，孟二林

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州215009）

沸石基墻體材料的孔隙結構特性分析

周 波，程向明，孟二林

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州215009）

對沸石基墻體材料的表面微觀形貌進行了表征，測量了多孔介質(zhì)材料的孔隙率、分形譜維數(shù)。探討了多孔介質(zhì)材料孔隙率、分形譜維數(shù)之間的關系，研究結果表明：ZBWMs樣品的分形維數(shù)1＜D＜2，分形維數(shù)越大，骨架結構越明顯，孔隙微觀結構的精細程度越高。

孔隙；分形；微觀結構；沸石

空氣濕度是影響建筑室內(nèi)環(huán)境舒適性的重要參數(shù)之一，對于人體健康、產(chǎn)品生產(chǎn)，物品保護等均具有重要作用。按照是否消耗人工能源，可將室內(nèi)相對濕度調(diào)控方式分為主動式和被動式，為控制室內(nèi)環(huán)境溫濕度大都采取供暖設備、通風空調(diào)系統(tǒng)等主動控制方法。為控制室內(nèi)相對濕度在一個相對合適的范圍，必須進行除濕和加濕，主要手段包括冷凝除濕、轉(zhuǎn)輪除濕、通風除濕等主動調(diào)節(jié)相對濕度的方法，上述方法雖然高效，但是能源消耗量大，該部分能源消耗占總建筑能耗的50%～60%[1]。因此被動型調(diào)節(jié)室內(nèi)相對濕度的調(diào)濕材料成為國內(nèi)外學者研究的熱點，墻體調(diào)濕材料的研究不僅在學術上具有重要的意義，在工程應用方面也有十分廣闊的前景。

墻體調(diào)濕材料屬于典型的多孔材料，其顯微結構為層狀或微孔狀，此類材料的調(diào)濕能力主要依靠其內(nèi)部較多的孔道與極大的比表面積所產(chǎn)生的水分子吸附和脫附，故其調(diào)濕能力的強弱也取決于其孔徑和比表面積的大小，即材料內(nèi)部孔隙豐富、比表面積大，吸附能力則較強。沸石材料結構中存在許多空腔和孔道，一定大小的分子可以在這些孔道中自由移動，故其對氣體和液體具有良好的吸附性能[2]。其中，沸石孔隙率高，比表面積大，同時因有色散力和靜電力的共同作用，有極強的吸附性，理論上可吸收其自身質(zhì)量2～3倍的水[3]。

在自然界中墻體多孔材料的熱傳導問題十分常見，墻體多孔材料具有質(zhì)量輕、保溫隔熱性，在各個領域都得到廣泛應用，但是多孔介質(zhì)中的熱傳遞機制非常復雜，不僅涉及到到材料與邊界的對流換熱，固相與流體間的熱傳導和對流換熱及其與多孔材料本身結構有關。等效導熱系數(shù)作為多孔介質(zhì)的傳熱表觀效果的重要參數(shù)之一，不僅與其組成材料的導熱系數(shù)有關，也與其材料的微觀幾何結構是有函數(shù)關系，隨著材料組分和結構的變化，材料的等效導熱系數(shù)也發(fā)生改變。人們在過去的幾十年里已經(jīng)開展了許多理論和應用的研究，早期預測定形復合材料等效導熱系數(shù)的模型多基于體積平均理論，僅為填充材料的體積分數(shù)，各組分的熱物性有關的函數(shù)，如Maxwell模型[4]、Brugge-man模型[5]和現(xiàn)在應用較多的Agari模型[6]。馮勇進[7]研究了多孔材料顆粒的形狀、大小及其分布特征的關系。

針對多種不同孔隙尺度的調(diào)濕材料，該文通過對沸石基墻體材料的孔隙率、分形譜維數(shù)等微觀結構參數(shù)進行分析，研究了沸石基墻體材料的孔隙結構特性。為工程應用中，涉及到的墻體多孔材料的傳熱特性研究提供了一定的依據(jù)。

1 沸石基墻體材料的孔隙結構表征

1.1 沸石基墻體材料的孔隙結構的局域分形表征

自然界中有許多許多復雜的現(xiàn)象存在，具有高度的自相似或無標度性。自相似性指，一個對象的局部與整體具有成比例縮小的性質(zhì)；無標度性指，以不同尺度觀察一個對象，經(jīng)過放大或縮小處理，其形態(tài)、表面結構、不規(guī)則性等不會發(fā)生改變的特性。無論是自相似性還是無標度性，其局部與整體在形態(tài)、表面結構等都具有成比例縮小的特性。圖1是ZBWMs試樣放大16 000倍和28 000倍的電鏡掃描圖，顯示了ZBWMs試樣的表面微觀結構，孔隙部分，骨架部分。由圖可看出，ZBWMs試樣的微觀表面具有自相似性，且與觀察尺度不相關。

圖1 ZBWMs試樣SEM圖

1.2 沸石基墻體材料的孔隙結構特性參數(shù)的提取

由于多孔材料表面微觀結構的復雜性，顯然經(jīng)典的歐式幾何理論是不適合用來描述多孔材料孔隙的內(nèi)部結構中發(fā)生的熱質(zhì)遷移過程。利用此表面微觀結構具有的自相似性，我們嘗試以分形理論來分析多孔材料表觀結構。

假定材料內(nèi)任意一點處的熱量傳遞過程只限制在以該點為中心的很小的一個區(qū)域內(nèi)，在這個小區(qū)域中，將其中某個最小尺寸的孔徑作為最小度量尺度Xmin，將其中可以包容四個方向的相鄰孔隙面積元直徑作為最大度量尺度Xmax，尺度范圍為：Xmax-Xmin，度量域為：Xmax2-Xmin2?？紫睹娣e的平均值S，分形維數(shù)D和度量尺度X存在關系：

其中，K為線性擬合常數(shù)。

SEM掃描電鏡灰度照片圖是利用掃描電鏡的聚焦電子束掃描材料表面時，樣品表面激發(fā)出一些攜帶相關信息的低能級電子進行技術處理而得到的圖像。圖像中的明暗變化反應不同的灰度差異，筆者利用圖像處理軟件將SEM掃描電鏡得到的灰度圖通過不斷調(diào)整灰度閾值的方式，同時不斷實時比對閾值圖與原圖，分割成最佳效果的黑白二值圖。經(jīng)過二值化處理的灰度圖像，既可真實反映原圖形貌結構，還可強化材料表面孔隙的骨架結構。筆者利用Mat lab軟件將二值圖的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息，分別用0或1來對應黑白二值圖中的信息，再采用盒計數(shù)法計算得到表面面積的分形維數(shù)D。

2 結果與討論

材料表面結構SEM圖像即經(jīng)過處理得到黑白二值圖，其中白色為骨架部分，黑色為孔隙部分，運用mat lab軟件將該SEM圖形的二值像素信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件，即為一個由0或1兩個值構成的矩陣（0表示白色，1表示黑色），再采用盒計數(shù)法（box counting method）計算剖面面積分形維數(shù)D，孔隙率Ф。該ZBWMs樣品在S-X對數(shù)坐標圖上，其孔隙面積的平均值和度量尺度之間滿足方程（1）的線性關系式。根據(jù)分形理論這就說明ZBWMs的樣品具有統(tǒng)計意義上的自相似性，即孔隙面積分布呈現(xiàn)出分形特征，線性擬合的斜率即為分形維數(shù)D。

從圖2中可以看出，ZBWMs樣品的分形維數(shù)1＜D＜2，分形維數(shù)越大，骨架結構越明顯，孔隙微觀結構的精細程度越高。1-1#ZBWM樣品為山東產(chǎn)的天然沸石作為填料復合而成的墻體材料，其孔隙面積分形維數(shù)為分別為1.674 1，對應的表層孔隙率為75.78%；2-1#ZBWM樣品為甘肅產(chǎn)天然沸石作為填料復合而成的墻體材料，其孔隙面積分形維數(shù)為分別為1.734 7，對應的表層孔隙率為63.15%；3-1#ZBWM樣品為河南產(chǎn)沸石作為填料復合而成的墻體材料，其孔隙面積分形維數(shù)為分別為1.883 5對應的表層孔隙率為51.64%這與Pitchumani[4]歸納的分形維數(shù)與孔隙率的關系也一致，與物理事實相符。

3 結論

該文通過對沸石基墻體材料表面微觀形貌的表征，研究了多孔介質(zhì)材料孔隙率、分形譜維數(shù)等微觀參數(shù)，研究結果表明：ZBWMs樣品的分形維數(shù)1＜D＜2，分形維數(shù)越大，表層孔隙率越小，材料表面的孔隙微觀結構的精細程度越高。

[1]常世鈞，龔光彩.冷熱源及建筑節(jié)能的研究現(xiàn)狀和進展[J].建筑熱能通風空調(diào)，2003，22（5）：18-23.

[2]馮孝庭.吸附分離技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[3]ABUSAFA A,YUCEL H.Removal of 137Cs from aqueous solutions using different cationic forms of a natural zeolite：clinoptilolite[J].Separation and Purification Technology,2002,28（3）：103-116.

[4]PITCHUMANI R.Evaluation of thermal conductivities of disordered composite mediausing of fractal model[J].Heat Transfer,1999,121：163-166.

[5]BRUGGERMAN D A G.Berechnung verschiedener physikalischer konstanten von heterogenen substanzen.I.Dielektrizitatskonstanten und Leitfahigkeiten der Mischkorper aus isotropen substanzen[J].Annalen der physik,1935,416（7）：636-664.

[6]AGARI Y,UNO T.Estimation on thermal conductivities of filled polymer[J].Journal of Applied Polymer Science，1986，32（7）：5705-5712.

[7]馮勇進.分形理論及其在多孔介質(zhì)和納米流體熱導率上的應用[D].武漢：華中科技大學，2007.

Analysis on pore structure peculiarity of zeolite based wall material

ZHOU Bo,CHEN Xiangming,MENG Erlin

（School of Environmental Science and Engineering,SUST,Suzhou 215009,China）

The surface pore structure of zeolite based wall materials（ZBWMs）,such as fractal dimensions and porosities were visually characterized by micrographs and experimental analysis respectively.Meanwhile,the relationship of surface pore structure and fractal was studied.The results show that the fractal dimensions of ZBWMs is between 1 and 2.With the increasing of fractal dimensions,the skeleton pores and the micro pore structure of porous medium become more apparent and exquisite.

pore;fractal dimension;micro pore structure;zeolite

TK512.4

A

2096-3270（2017）01-0038-04

（責任編輯：經(jīng)朝明）

2016-09-18

江蘇省自然科學基金項目（BK20160354）

周 波（1984-），女，江蘇無錫人，博士，講師，從事多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)研究，Email：188755032@qq.com。