软木传热机理与保温性能优化研究

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软木是自然界中存在的天然隔热材料,本文以国产栓皮栎软木为对象,对比葡萄牙栓皮槠软木,研究了软木细胞的固相骨架的传热机理和热解特性,以及软木热处理后软木细胞固相骨架传热特性变化。最后对软木制品的保温隔热性能进行了优化研究。主要研究结果如下:(1)将软木单体细胞的结构进行归纳和简化,构建了软木单体细胞传热模型,运用串-并联运算规则,得到固-气结构软木的等效导热系数公式,软木等效导热系数是孔隙率(φ)的函数,与固相导热系数(λs)、气相导热系数(λa)有关。软木等效导热系数的计算公式为:可以通过等效导热系数方程预测软木制品的导热系数,导热系数的计算值和实测值两者之间平均误差为5.16%,最大误差为9.79%,满足Russell法平均误差和最大误差分别不超过6%和15%的要求。(2)在软木的热解反应中,将热解过程划分为4个阶段,第一个阶段都出现一个明显的吸热峰,国产栓皮栎软木的吸热峰强度高于葡萄牙产栓皮槠软木。第三个阶段是软木热解的主要阶段,该阶段失重高达77.14~81.59%。整个热解过程是由软木中软木酯、木质素及纤维素等成分的热解过程的叠加组成;软木酯、木质素等成分的热稳定性好,延长了热解反应温度区间,延缓了软木的热解过程。(3)计算出软木活化能较大,三种产地软木的平均活化能分别达到了172KJ·mol1(甘肃)、169KJ·mol-1(陕西)和164KJ·mol-1(葡萄牙),说明软木的燃烧很难进行,需要在较高的温度下,提供大量的能量时,热解才能发生。根据热分解速率方程导出相应的热解动力学方程,软木的热解反应机理可以用一个一级反应过程米较好地描述。(4)通过对软木固相骨架的研究,发现栓皮栎和栓皮槠软木的等温吸附线属于Ⅲ型吸附等温线,吸附剂—吸附质之间的相互作用很弱,软木细胞壁没有吸附水的存在。栓皮栎软木细胞壁上有更多的孔隙和更大的比表面积,孔径分布主要位于20nm的范围内。陕西产栓皮栎软木的孔径在50nm以下的介孔高达90.77%,孔隙直径小于气体分子的自由程,消除了细胞壁孔径内气体本身的热传导,其等效导热系数很低。(5)软木热处理后,软木细胞壁的化学成分出现变化:主要是2852cm-1-2920cm-1的蜡质C-H不对称伸缩和对称伸缩振动减弱,1700cm-1-1800cm-1的区域内出现酯类的羰基((?)C=0)特征峰,在1506cm-1处出现木质素的芳环骨架振动,以及在1456cm-1处出现半纤维素CH2弯曲振动和895cm-1处的β-D-葡萄糖的特征吸收峰,峰强在热处理中都有减弱。(6)软木热处理后,甘肃产软木细胞壁比表面积呈增加趋势,从2.438m2/g增大到2.907m2/g,增加了16.13%。单点表面积、BJH吸附孔总容积呈减小趋势,细胞壁上孔隙直径分布向20nm以下的介孔集中,20nm以下的介孔分布强度更高,超过50nm的大孔数量明显减少。(7)软木热处理后视觉特性出现明显变化:主要是明度降低,色差增大,且随处理温度的升高和时间的延长呈明显递增的趋势;热处理后软木的红绿轴色品指数a*和黄蓝轴色品指数b*有不同程度的规律性降低。热处理温度对软木明度和色差的影响远大于热处理时间的影响。(8)软木制品的保温性能优化研究:同等容重条件下,粗粒颗粒所制备的软木制品的等效导热系数最小,保温性能最好。软木颗粒的粒度较小时,粒度的变化对软木制品保温性能的影响变小;软木粒度相同时,随着容重的增加,软木制品等效导热系数发生显著增加;热处理时间、软木制品容重对导热系数的影响显著。根据正交实验结果,找出优化的方案为:软木粒度为粗粒,软木制品容重为0.5g/cm3,热处理时间2小时。降低软木制品容重,增加热处理时间可以降低等效导热系数,有效提高软木制品保温隔热性能。
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