MDF水泥基太阳能吸收材料的制备与性能

摘要

由于化石燃料不可再生且燃烧后严重地污染环境，因此开发利用可再生清洁能源具有极其重要的意义，太阳能是一种高效、清洁、永不枯竭的可再生能源，但其具有分散性、间接性、随机性的缺点，这使得太阳能很难在更宽更广的范围内得到利用；人类建筑物多为水泥混凝土结构且遍布世界各地，如果能够利用水泥混凝土来吸收储存太阳能，将大大扩展太阳能的应用范围并真正做到太阳能利用与建筑一体化，但传统的水泥混凝土太阳光吸收性能和热学性能均较差，不能有效地吸收储存太阳能；本课题组前期选取石墨、炭黑、氧化铁黑作为外掺吸热导热相，进行了大量的前期探究实验，结果表明：外掺吸热导热相虽然提高了水泥基复合材料的太阳光吸收性能和热学性能，但同时大大地降低了水泥基复合材料的力学性能，这主要是由于吸热导热相均为高比表面积惰性材料，注浆成型时标准稠度需水量大大地增加，水泥基复合材料中产生了大量的孔洞裂纹等晶格缺陷。
　　为了制备出可用于太阳能集热的太阳光吸收性能和热学性能均优良且力学性能符合建筑要求的MDF水泥基太阳能吸收材料，本实验在本课题组前期实验工作的基础上，参照MDF水泥制备技术，采用半干压成型法替代传统的注浆成型法，首先研究了不同水灰比对半干压成型法制得的空白水泥材料和水泥基复合材料性能的影响，结果表明，水泥基复合材料的实验水灰比范围为0.15~0.25，大于空白水泥材料的实验水灰比范围0.1~0.2，当水灰比为0.2时，两组试样的抗折强度和抗压强度均达到最大值，水泥基复合试样的绝干容重也取得最大值，因此确定制备MDF水泥基太阳能吸收材料的实验水灰比为0.2；然后研究了高外掺量吸热导热相的复掺对MDF水泥基太阳能吸收材料性能的影响，结果表明，高外掺量吸热导热相的复掺大大提高了MDF水泥基太阳能吸收材料的太阳光吸收性能和热学性能，同时也大大降低了材料的力学性能和绝干容重，其中导热系数和光吸收系数分别可达到4.8803W/(m·K)和95％，最高平均温度可达到59.89℃，较空白试样提高了6.76℃，较环境的最高平均温度提高了29.1℃，对复掺试样进行微观结构测试，结果表明，高外掺量吸热导热相的复掺增加了MDF水泥基太阳能吸收材料的内部总孔隙率和多害孔数量，使得水泥石结构规整性变差，因此综合分析考虑，确定吸热导热相的最佳外掺质量分数分别为24wt%、16wt%、20wt%。
　　再研究了增加水泥用量和外掺聚丙烯纤维对MDF水泥基太阳能吸收材料性能的影响，结果表明，增加水泥用量对MDF水泥基太阳能吸收材料的力学性能和绝干容重提高均不大，而外掺聚丙烯纤维对MDF水泥基太阳能吸收材料的力学性能提高显著，其中当聚丙烯纤维外掺质量分数为1wt%时，抗折强度和抗压强度达到9.32MPa、37.27MPa，但外掺聚丙烯纤维对MDF水泥基太阳能吸收材料的绝干容重影响不大，选取试样进行微观结构测试，结果表明，水泥用量的增加使得水泥水化产物连续性提高，但提高程度不大，而聚丙烯纤维单丝在材料中均匀分布、紧密排列，与水泥水化产物形成了较好的结合界面，综合分析考虑确定聚丙烯纤维的最佳外掺质量分数为1wt%；最后研究了一定外掺量丙烯酸钙、硅烷偶联剂和表面活性剂的复掺对聚丙烯纤维增强MDF水泥基太阳能吸收材料性能的影响，结果表明，一定外掺量丙烯酸钙、硅烷偶联剂和表面活性剂的复掺提高了材料的热学性能和力学性能，其中导热系数、抗折强度和抗压强度分别可达到5.6304W/(m·K)、13.6MPa和47.5MPa，对复掺试样进行微观结构测试，结果表明，丙烯酸钙、硅烷偶联剂和表面活性剂的复掺使得材料的各相之间连接更加紧密，综合分析考虑，最终确定丙烯酸钙、硅烷偶联剂和表面活性剂的最佳外掺质量分数分别为1wt%、2wt%、1.5wt%。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 MDF水泥制备技术

1.4 聚丙烯纤维在水泥混凝土中的应用

1.5 丙烯酸钙、硅烷偶联剂及表面活性剂在水泥混凝土中的应用

1.6 主要研究内容

第二章 实验原理、设备和方法

2.1 实验原料

2.2 实验用仪器设备

2.3 实验方法

第三章 水灰比对MDF水泥基太阳能吸收材料性能的影响

3.1 水灰比对MDF水泥基太阳能吸收材料力学性能的影响

3.2 水灰比对MDF水泥基太阳能吸收材料绝干容重的影响

3.3 本章小结

第四章 吸热导热相对MDF水泥基太阳能吸收材料性能的影响

4.1 吸热导热相对MDF水泥基太阳能吸收材料力学性能的影响

4.2 吸热导热相对MDF水泥基太阳能吸收材料绝干容重的影响

4.3 吸热导热相对MDF水泥基太阳能吸收材料热学性能的影响

4.4 吸热导热相对MDF水泥基太阳能吸收材料太阳光吸收性能的影响

4.5 MDF水泥基太阳能吸收材料的孔结构分析

4.6 MDF水泥基太阳能吸收材料的SEM分析

4.7 本章小结

第五章 聚丙烯纤维对MDF水泥基太阳能吸收材料性能的影响

5.1 聚丙烯纤维对MDF水泥基太阳能吸收材料力学性能的影响

5.2 聚丙烯纤维对MDF水泥基太阳能吸收材料绝干容重的影响

5.3 聚丙烯纤维增强MDF水泥基太阳能吸收材料的SEM分析

5.4 本章小结

第六章 MDF水泥基太阳能吸收材料的性能优化实验

6.1 MDF水泥基太阳能吸收材料的力学性能优化

6.2 MDF水泥基太阳能吸收材料的热学性能优化

6.3 MDF水泥基太阳能吸收材料的微观结构优化

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

附录