海藻酸铵/纤维素基气凝胶保温材料的性能调控与传热机制研究

作     者：孙位蕊 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：康志勤;胡银春;梁春豪

授予年度：2021年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：复合气凝胶 海藻酸铵 纤维素 力学性能 保温隔热 相变复合材料 数值模拟 

摘      要：海藻酸盐和纤维素气凝胶因其可再生性、低成本、环境效益好、设计性强等特殊性能而受到越来越多的关注。然而,这两种气凝胶具有低机械强度、疏水性能差、无法大规模生产等不足,这些不足限制了气凝胶的应用范围。通过成分优化和改性可以调控气凝胶的微观结构和性能,提高其力学强度、疏水性能、保温效果等,实现更多功能,从而制备出可大规模生产、高强度、疏水性的绿色吸油、保温隔热气凝胶材料。针对以上问题,本文以可再生、低成本、环境效益好的海藻酸铵或纤维素作为基底材料制备了力学性能良好的气凝胶。在此基础上,制备疏水改性气凝胶和气凝胶基相变材料。通过对实验样品进行多个实验表征和数值模拟,研究了气凝胶及其相变材料的性质与应用,分析了他们的保温隔热效果。该气凝胶不仅可以实现对石油管道的保温隔热,同时可以在石油管道破裂时及时吸附石油,避免对环境产生污染。气凝胶与相变材料相结合可以进一步改善保温隔热效果。因此,该复合材料对于节能环保事业有着重要的意义。得到主要实验结论如下:（1）将海藻酸铵与不同的无机纳米粒子通过容易实现、成本低的溶液共混法和真空冷冻干燥法制备了海藻酸铵基气凝胶。对气凝胶进行交联反应,促进气凝胶形成三维多孔网络结构,其力学性能得到明显改善。为使气凝胶能够在高湿度环境下用于柔性隔热领域,利用化学气相沉积法为气凝胶进行疏水改性。改性后其接触角为116.6°,且具有较好的吸油效果,大大拓展了气凝胶材料的应用范围。为进一步改善气凝胶的短期绝热性能,利用聚乙二醇（PEG）较大的相变潜热和出色的热稳定特性,通过真空浸渍法制备了气凝胶相变复合材料。气凝胶与PEG相容性良好,气凝胶的三维骨架网络结构有利于它在定形相变材料中发挥传热作用以及对相变材料的包覆作用。气凝胶相变复合材料在350℃-450℃之间才会出现较大幅度的质量损失,分解速率较快,具有较高的热稳定性。（2）以羧基化纤维素纳米纤维为原料,和海藻酸铵在质量分数比例为9:1、7:3、5:5、3:7和1:9的情况下复合形成纤维素基气凝胶。随着海藻酸铵质量分数的增加,纤维素基气凝胶的力学性能升高。在质量比例为5:5时,纤维素基气凝胶力学性能最好;海藻酸铵质量分数的升高也使气凝胶呈现不同的微观结构,三维结构更加紧密稳定。气凝胶材料具有高达500℃的热氧化稳定性,使其成为比普通聚合物更合适的保温候选材料。疏水改性后气凝胶疏水角达到103°,是一种具有良好疏水性能的气凝胶隔热材料。纤维素基气凝胶相变材料有较高的相变温度和相变焓,热导率达到了0.26,满足了其作为储能材料的要求。（3）以气凝胶材料为原型,使用COMSOL软件建立多孔介质传热模型,对其传热过程进行数值模拟。利用数值模拟方法预测气凝胶材料传热结果,分析气凝胶材料传热机理,这为它们用于石油管道保温领域提供了理论依据。