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SiO2气凝胶提高岩棉保温性能的试验研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-10-23

吴志菊1,罗杰任2,闫秋会1
1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院;2.西安工程大学 城市规划与市政工程学院

       【摘  要】以无水乙醇为溶剂,SiO2气凝胶为溶质,制取SiO2气凝胶改性溶液。采用浸润及常压干燥制备岩棉/SiO2气凝胶复合板,研究SiO2气凝胶的质量分数和浸润时间对岩棉/SiO2气凝胶复合板的短期吸水量、导热系数及抗压强度的影响。并以某办公楼为对象,利用建筑能耗模拟软件DeST,研究岩棉/SiO2气凝胶复合板在寒冷地区的建筑能耗。结果表明:随SiO2气凝胶的质量分数的增加,复合板的短期吸水量和导热系数逐渐变小,抗压强度略有提高。与未进行保温相比,厚度为30mm的岩棉/SiO2气凝胶复合板能耗节能率大于25%。

       【关键词】SiO2气凝胶;岩棉/SiO2气凝胶复合板;导热系数;建筑能耗

       【基金项目】陕西省自然科学基础研究计划项目(2015JM5229)

       【中图分类号】TU55+1       【文献标识码】A

       到2020年,中国城镇建筑节能要达到65%的总目标,对建筑外墙保温材料的研究具有重要意义[1]。目前,建筑外墙保温材料分为有机保温材料和无机保温材料,有机保温材料具有质量轻、保温隔热效果好等优点,但易燃易老化[2-4]。岩棉作为A级不燃材料解决防火性能差等问题,但存在吸水量大、保温隔热性能不佳等问题[5-6]。SiO2气凝胶是一种新型轻质多孔纳米材料,具有密度低(可低达4kg/m3)、比表面积大(>1000m2/g)和孔洞率高(达99%),在热力学方面具有极低的导热系数,常温常压下其导热系数为0.015 W/(m·K)[7-12]。SiO2气凝胶作为一种高效保温隔热材料,因其强度低、脆性大等缺点限制了在建筑外墙保温领域的应用[13]。针对岩棉和SiO2气凝胶以上特点,本文利用SiO2气凝胶改性溶液通过浸润及常压干燥制备岩棉/SiO2气凝胶复合板,研究SiO2气凝胶的质量分数和浸润时间对岩棉/SiO2气凝胶复合板的性能影响,并研究在以西安为代表的寒冷地区的建筑能耗。

1 实 验

       1.1 原材料

       SiO2气凝胶:粒径为5~20nm,导热系数(常温)为0.028 W/(m·K),成都艾瑞杰科技有限公司生产;无水乙醇、吐温80和硅烷偶联剂KH550:天津市天力化学试剂有限公司生产;岩棉:西安市长安保温材料有限公司生产,不燃性为A级,导热系数(常温)约0.045 W/(m·K)。

       1.2 实验过程

       以SiO2气凝胶质量分数分别为2%、4%、6%和8%时,制取SiO2气凝胶改性溶液。将其与岩棉浸润复合,置于通风橱中24h常温挥发,之后置于50℃烘干箱中常压干燥24h至完全干燥,制备岩棉/SiO2气凝胶复合板。

       1.3 测试方法

       依据GB/T25975-2010《建筑外墙外保温用岩棉制品》,计算短期吸水量。依据GB/T10295-2008《非金属固体材料导热系数的测定—热线法》,使用TC-3000快速导热系数测定仪测量导热系数。依据GB/T13480《矿物棉制品压缩性能试验方法》,使用万能材料试验机测定抗压强度。

2 结果与讨论

       2.1 不同质量分数的SiO2气凝胶对岩棉的短期吸水量的影响

       短期吸水量能准确、快速反应材料的防水性能,通过短期吸水量的变化对岩棉的防水性能进行评价。图1为岩棉改性前后对比图。图2为岩棉/SiO2气凝胶复合板的短期吸水量的变化曲线。

       由图1可知,通过浸润及常压干燥等工艺制备得到的岩棉/SiO2气凝胶复合板,其纤维的表面附着大量的SiO2气凝胶颗粒。由图2可知,五种不同浸润时间处理的岩棉/SiO2气凝胶复合板随SiO2气凝胶质量分数的增大,其短期吸水量先急剧下降后趋于稳定。对于浸润处理20min的岩棉/SiO2气凝胶复合板,当SiO2气凝胶质量分数分别为6%和8%时,短期吸水量分别下降百分比为33.3%和35%。五种不同浸润时间处理的岩棉/SiO2气凝胶复合板相比,随浸润时间的延长,粘附于纤维上的二氧化硅颗粒越多,其短期吸水量越小。当SiO2气凝胶质量分数为8%,浸润时间3、5、10、15和20min处理的岩棉/SiO2气凝胶复合板的短期吸水量分别为0.86、0.82、0.81、0.79和0.78kg/m2。试验过程中发现当SiO2气凝胶质量分数大于8%时,SiO2气凝胶在无水乙醇溶剂中存在不完全溶解的现象。

       2.2 不同质量分数的SiO2气凝胶对岩棉的导热系数的影响

       图3为岩棉/SiO2气凝胶复合板导热系数的变化曲线。由图3可知,随SiO2气凝胶质量分数的增加,五种不同浸润时间处理的岩棉/SiO2气凝胶复合板的导热系数均呈下降趋势。当浸润时间为20min,SiO2气凝胶质量分数分别为6%和8%时,岩棉/SiO2气凝胶复合板的导热系数下降百分比分别为22.22%和26.67%。由于附着于岩棉中纤维的SiO2气凝胶颗粒逐渐增多,纤维被气凝胶颗粒较好地包裹,而阻止了纤维之间的直接接触。热量要从热端传递到冷端,就必须克服气凝胶颗粒所设置的层层障碍,而气凝胶颗粒的存在还拉长了热传递的路径,从而降低了导热系数[13]。且SiO2气凝胶颗粒保持完整,其纤细的纳米多孔网络结构有效限制固态热传导和气态热对流。五种不同浸润时间处理的岩棉/SiO2气凝胶复合板相比,随浸润时间的延长,其导热系数下降越明显。当SiO2气凝胶质量分数为8%时,浸润3、5、10、15和20min处理的岩棉/SiO2气凝胶复合板的导热系数分别从0.045 W/(m·K)下降至0.042、0.040、0.037、0.034和0.033 W/(m·K)。

       2.3 不同质量分数的SiO2气凝胶对岩棉的抗压强度的影响

       图4为岩棉/SiO2气凝胶复合板抗压强度的变化曲线。由图4可知,浸润处理后的岩棉/SiO2气凝胶复合板抗压强度基本没有变化或者略有提高。由于偶联剂KH550能够增大岩棉板中纤维的结合力,起到了一定的粘结作用,但粘结力不会很大。同时KH550的使用量较少,因此浸润处理后的岩棉/SiO2气凝胶复合板抗压强度略有提高。

 3 岩棉/SiO2气凝胶复合板在寒冷地区的建筑能耗

       3.1 模型建立

       以办公楼为模型,共5层,层高为3.6m,建筑面积为3667.5m2,其平面图如图5所示:

       根据对寒冷地区办公建筑围护结构以及建筑体形进行的调研,发现寒冷地区的建筑外墙的主体墙大部分采用重砂浆空心砖[14]。因此,此建筑模型的建筑外墙采用主体墙+保温层系统,即20mm石灰砂浆+360mm重砂浆空心砖+保温层+20mm石灰砂浆。由图3可知,当浸润时间为20min的岩棉/SiO2气凝胶复合板的导热系数较佳,因此均采用浸润时间为20min处理的岩棉/SiO2气凝胶复合板。其他围护结构参数具体如表1所示:

       3.2 模拟结果

       由于西安地区夏季高温多雨,冬季寒冷少雨。除了要考虑冬季供热,还要考虑夏季制冷。表2为西安地区某办公楼能耗模拟结果及节能率。

       从表2可知,随着SiO2气凝胶质量分数的增加,建筑全年累计热负荷指标明显减小,但对建筑的全年累计冷负荷指标的影响相对较小。与建筑不进行保温措施相比,建筑热负荷节能率、冷负荷节能率和负荷节能率分别可提升28.34%、-3.27%和25.07%。一方面由于随着SiO2气凝胶质量分数的增加,岩棉/SiO2气凝胶复合板的保温性能得到提升;另一方面,在寒冷地区,冬季室内外温度差大,采取保温措施后,有效减弱室内外建筑热流作用;但夏季室内外温差小,保温效果较弱,且保温厚度增加,建筑蓄热反而会增强,当第二天空调开启时,此部分蓄热成为了冷负荷。

4 结 论

       本文针对SiO2气凝胶改性溶液对岩棉的改性工艺进行探究,主要研究结果如下:

       (1)SiO2气凝胶质量分数的大小和浸润时间会影响附着在岩棉中纤维上的颗粒数量,进而影响岩棉的性能。其最佳工艺下,岩棉/SiO2气凝胶复合板的短期吸水量为0.8kg/m2,导热系数为0.035W/(m·K),抗压强度为42.40kPa(10%形变)。与改性前相比,岩棉/SiO2气凝胶复合板的短期吸水量下降百分比为35.0%,导热系数下降百分比为26.67%,抗压强度略有提高。

       (2)与建筑未进行保温相比,厚度为30mm的岩棉/SiO2气凝胶复合板在寒冷地区的建筑热负荷节能率、冷负荷节能率和负荷节能率分别可提升28.34%、-3.27%和25.07%。

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       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。