硅酸钙复合纳米孔超级绝热钢结构防火板的研制

摘要

本论文主要研究了将具有中空结构硬硅钙石二次粒子和具有纳米孔结构SiO2气凝胶采用真空复合结合超临界干燥技术制备硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料的方法，将此复合材料制成的纳米孔超级绝热板应用于钢结构防火保护。 SiO2气凝胶的合成采用溶胶-凝胶法。对合成SiO2气凝胶的影响因素、超临界干燥、物性及结构特征进行了研究。研究表明，以正硅酸乙酯(TEOS)作为前驱体、乙醇和水的混合液为溶剂、盐酸和氨水为酸碱催化剂，经过溶胶-凝胶过程，可以获得SiO2醇凝胶。制备凝胶配方为：H2O/TEOS=3～8(摩尔比)；pH值在第一步反应控制在3～4，第二步反应控制在7～8；温度在室温下或不高于60℃；老化时间是在室温下老化2～4天；EtOH/TEOS视拟制备气凝胶密度而定。然后使用超临界干燥技术得到了不同密度具有纳米孔结构的SiO2气凝胶样品。 采用真空浸渍技术成功的制备出中空结构的硬硅钙石二次粒子内部充满了具有纳米孔SiO2气凝胶的复合超级绝热材料。这种材料的平均孔径为9.1nm，90﹪孔径小于50nm，其他都在80nm以内。与SiO2气凝胶复合后，硬硅钙石的导热系数降低了38﹪，常温常压下导热系数为0.025W/(m·K)，已经低于空气的导热系数值，抗压强度提高了67﹪，抗折强度提高了29﹪，保温绝热性能和机械强度明显提高，且匀温灼烧实验的线性收缩率仅为1﹪。 利用ANSYS有限元软件的热分析模块对普通防火涂料和复合防火板在钢结构应用中的防火性能进行对比分析，实验结果表明复合防火板的防火时间远远高于目前一般厚质防火涂料的防火时间，从而在很大程度上提高了钢结构的防火性能。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及关于论文使用授权的说明

引言

1文献综述

1.1超级绝热材料提出的背景及现状

1.2纳米孔超级绝热材料概念的提出及主要特征

1.3超轻硬硅钙石的研究现状

1.3.1超轻硬硅钙石的研究现状

1.3.2超轻硬硅钙石的制备

1.4气凝胶材料及其主要特征

1.5SiO2气凝胶绝热材料国内外发展现状

1.5.1SiO2气凝胶的研究进展

1.5.2SiO2气凝胶的制备

1.6气凝胶复合材料国内外发展现状

1.7钢结构防火保护国内外研究进展

1.7.1钢结构的应用现关及特点

1.7.2钢材的抗火性能

1.7.3进行钢结构防火保护的意义

1.7.4钢结构的防火保护方式

1.8课题研究的目的和内容

1.8.1课题研究的目的

1.8.2课题研究的内容

2SiO2气凝胶的合成

2.1实验药品及设备

2.2硅质醇凝胶的制备

2.2.1SiO2气凝胶制备的实验原理与方法

2.2.2实验过程

2.2.3实验结果与讨论

2.3SiO2气凝胶的超临界干燥

2.3.1SiO2气凝胶的超临界干燥原理与方法

2.3.2SiO2气凝胶的超临界实验过程

2.3.3SiO2气凝胶超临界实验过程实验结果与讨论

2.3.4SiO2气凝胶的物相分析及微观结构分析

2.4小结

3硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料的制备

3.1硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料实验室制备技术路线

3.2实验过程

3.3实验结果与讨论

3.3.1实验合成条件对复合样品增重率的影响

3.3.2物相分析及微观结构分析

3.3.3复合前后性能对比分析

3.4硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料的绝热原理

3.5小结

4硅酸钙复合纳米孔超级绝热防火板在钢结构防火保护中的应用设计

4.1硅酸钙复合纳米孔超级绝热防火板的防火机理

4.2复合防火板和防火涂料高温数值模拟分析对比

4.2.1ANSYS软件简介及其热分析的特点

4.2.2ANSYS数值模拟基本假定

4.2.3H型钢紧贴包覆法热力学模拟

4.3硅酸钙复合纳米孔超级绝热防火板用于钢结构的耐火保护构造

4.3.1钢柱的防火包覆构造

4.3.2钢梁的防火包覆构造

4.4复合防火板用于钢结构防火包覆保护法与防火涂料保护法的比较

4.5小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢