生物质基保温材料的制备及其传热特性实验研究

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据相关研究统计,全球总的能耗有10%以上用于建筑供暖和制冷空间消耗,并产生近30%的全球二氧化碳排放量。为了提高建筑能源效率和减少温室气体的排放,提高建筑的保温隔热性能被认为是最有效的途径之一。近年来,基于可再生资源的新型保温材料由于其价格低廉,并且可以代替油基绝热材料以减少二氧化碳排放,而被广泛用于建筑围护保温材料。然而,对生物质基保温材料的传热特性以及如何进一步提高隔热性能的研究尚少,并且生物质材料还存在易吸水、易燃、力学性能、透湿性和热稳定性差等问题限制了其在建筑节能中的应用。基于以上问题,本文系统的展开了对生物质基保温材料的传热特性研究,针对性的对生物质基保温材料在建筑节能中的应用进行性能优化。从热传输的角度探究了材料微观结构、制备参数、环境温度、环境湿度和承压变形等因素对保温材料导热系数的影响机制,并提出进一步降低导热系数的方法,解决了生物质基保温材料在建筑围护结构中易吸水、易燃、力学、透湿和热稳定性差等问题。本文具体研究内容如下:(1)利用废弃木屑为原材料,通过压缩成型和真空碳化制备了一种新型生物质基保温材料。探究了不同种类木屑的微观结构、成型压力、环境温度和湿度对保温材料导热系数的影响机制。结果表明,以松木屑为原材料制备的碳化木屑压缩成型材料(CPP)的导热系数较低,为0.062 W/(m·K)。木屑颗粒的高固有孔隙率、保温材料的高孔隙率和内部的球形孔隙有利于降低保温材料的导热系数。此外,制备的CPP不仅具有疏水性,而且表现出优异的可重复使用性和结构稳定性。在60%的相对湿度环境下放置24 h后再次干燥,保温材料的导热系数可以完全恢复,且没有明显的结构坍塌。重要的是,由于制备过程中的真空碳化处理,使得CPP具有优异的阻燃和无烟性能,在燃烧试验中可在6 s内自行熄灭。这项工作为利用废弃生物资源制造保温材料提供了一种简便且可持续的策略,对于未来的建筑节能具有应用潜力。(2)以天然壳聚糖为基体,碳化硅晶须为结构增强剂,通过真空冷冻干燥的方法制备了一种壳聚糖-碳化硅复合泡沫保温材料。探究了碳化硅纤维的质量比对复合泡沫的导热系数和力学性能的影响机制。结果表明,复合泡沫的导热系数随着添加的碳化硅纤维质量比的增大而增大,当碳化硅纤维的添加质量比为30%时,所制备的壳聚糖-碳化硅复合泡沫保温材料的导热系数为0.0354 W/(m·K),并且具有最大的压缩模量和比压缩模量,分别为89.8 KPa、1881.8 m~2/s~2。此外,探究了承压形变量对复合泡沫导热系数的影响机理,结果表明承压形变不仅会导致复合泡沫的密度增大,而且会导致多孔结构完全坍塌形成致密结构,进而导致了复合泡沫导热系数的增加。最后,对复合泡沫的隔热和透湿性能进行了实验测试,得益于复合泡沫的高孔隙结构,使得其能有效地抑制通过固相的热传导和提高水蒸汽渗透能力,不仅具有优异的保温隔热性能,而且有利于建筑维护结构中的水分扩散。这项工作制备的壳聚糖-碳化硅复合泡沫保温材料具有低成本、优异的保温隔热、力学和透湿性能等优点,具有实际应用的潜力。全文共有图32幅,表9个,参考文献107篇。
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