纤维增强SiO2气凝胶保温材料的制备及温湿耐候性仿真

摘要

SiO2气凝胶作为保温材料具有广泛应用前景，但要作为外墙保温材料，需要对其强度及温湿耐候等性能进行评估。国内外对外墙保温材料温湿耐候性能研究较少，缺乏相关数据。在当前的外墙保温行业中，国内尚无针对纤维增强气凝胶外墙外保温系统专用耐候性试验设备及对应标准和规范。而数值仿真可以较大程度地降低经济和时间成本，计算多种工况，因此成为研究该系统温湿耐候性能的重要辅助手段。 本文将制备的纤维增强SiO2气凝胶保温材料作为主要保温组分构建外墙外保温系统，利用实验所获数据建立该系统温度场、湿度场、应力与位移的有限元模型，并针对保温材料的温湿耐候性及强度安全性等开展应用可行性仿真评估，进而预测其能否满足外墙保温材料的应用要求。 实验结果表明：当气凝胶与硅烷处理剂加入量之比为5:1时，所制备保温试样导热系数最低。通过模拟仿真研究结果对保温材料配方调整后，当聚丙烯纤维质量分数为3%时，试样抗折强度最高，为1.76MPa。在浸水120min后，试样吸水率保持稳定为1.9%。 以实验得到的参数对纤维增强气凝胶外墙外保温系统进行应力仿真发现，在保温浆料层边界处应力最大值为1.215MPa，超过了实验测得的保温材料强度。根据仿真模拟结果，分析影响应力的主要参数，通过实验调整增强组分纤维的用量等将保温材料的抗折强度提升至1.76MPa，利用对强度优化后的保温材料参数进行再次仿真评估证实其强度达到了应用要求。通过吸湿试验测定保温材料性能参数，利用所获参数对保温系统开展湿度场数值仿真。仿真显示，保温浆料层内外表面含湿率差值为0.240%；而基层墙体内外层含湿率相差仅为0.005%。本文通过对纤维增强气凝胶保温材料温湿耐候性进行仿真评估，为实际墙体保温工程安全性和温湿耐候性研究提供了参考依据。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 外墙保温系统

1.2.1 传统墙体保温材料

1.2.2 SiO2气凝胶纤维复合保温材料

1.2.3 外墙保温施工技术

1.3 外墙保温系统耐候性研究

1.4 目前研究现状

1.4.1 国内研究概况

1.4.2 国外研究概况

1.5 课题研究背景及内容

第2章 聚丙烯纤维增强SiO2气凝胶保温材料的制备

2.1 引言

2.2 实验材料及设备

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验设备

2.3 实验部分

2.3.1 气凝胶表面改性处理

2.3.2 聚丙烯纤维增强气凝胶保温试样的制备

2.4 测试与表征

2.4.1 表观密度和体积收缩率测定

2.4.2 力学强度测试

2.4.3 吸水率测试

2.4.4 疏水性测试

2.4.5 导热系数测试

2.4.6 微观形貌表征

2.5 结果与讨论

2.5.1 硅烷处理剂用量对保温试样性能的影响

2.5.2 聚合物纤维用量对保温试样性能的影响

2.5.3 纤维增强气凝胶保温试样防水性能分析

2.5.4 纤维增强气凝胶保温试样疏水性

2.6 本章小结

第3章 纤维增强SiO2气凝胶外墙外保温系统构建及温湿耐候性仿真

3.1 引言

3.2 温度场理论基础

3.2.1 传热学基本理论

3.2.2 热应力基本理论

3.3 湿度场理论基础

3.3.1 湿度扩散控制方程

3.3.2 湿度扩散主要参数

3.3.3 湿应变

3.4 外墙外保温系统温度场仿真模拟

3.4.1 保温系统构建及材料参数的实验获取

3.4.2 单元类型及网格划分

3.4.3 边界条件

3.4.4 模型分析

3.4.5 温度场结果分析

3.4.6 应力场和位移结果分析

3.4.7 保温浆料强度安全性仿真检验

3.4.8 保温浆料强度实验优化及数值仿真验证

3.5 外墙外保温系统湿度场仿真模拟

3.5.1 保温系统构建及材料参数的试验测定

3.5.2 单元类型及网格划分

3.5.3 边界条件

3.5.4 模型分析

3.5.5 湿度场结果分析

3.5.6 湿应力和位移结果分析

3.5.7 保温浆料强度安全性仿真检验

3.6 本章小结

第4章 全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢