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气凝胶运用于消防服隔热性能测试及合成研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 气凝胶隔热材料的研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 溶胶-凝胶技术发展现状

1.4 疏水性气凝胶制备方法

1.4.1 原位法制备疏水SiO2气凝胶

1.4.2 表面后处理法制备疏水SiO2气凝胶

1.5 气凝胶的干燥工艺研究

1.5.1 超临界干燥工艺

1.5.2 冷冻干燥法

1.5.3 常压干燥工艺

1.6 本课题研究目的、意义、及内容

1.6.1 本课题研究目的及意义

1.6.2 本课题采用技术路线

1.6.3 本课题主要研究内容

1.7 本文的章节安排

第二章 低辐射条件下不同气凝胶毡隔热性测试

2.1 引言

2.2 隔热性实验整体设计思路

2.3 气凝胶毡隔热性能测试实验台

2.3.1 外部辐射装置

2.3.2 数据采集分析平台

2.3.3 样品装置

2.4 实验方案

2.4.1 实验样品的选择

2.4.2 测试方案

2.4.3 实验参数选取

2.5 实验结果

2.5.1 不同厚度气凝胶毡加入对舒适层内侧温度影响分析

2.5.2 相同厚度不同层数气凝胶毡加入对舒适层内侧温度影响分析

2.5.3 气凝胶毡不同位置对舒适层内侧温度影响分析

2.5.4 气凝胶毡单层与多层填充方式对舒适层内侧温度影响分析

2.6 本章小结

第三章 SiO2气凝胶合成及性能表征

3.1 引言

3.2 SiO2气凝胶合成实验设计思路

3.2.1 SiO2气凝胶特性及研究现状

3.2.2 合成原理

3.2.3 实验方案设计

3.3 柔韧性块体疏水SiO2气凝胶制备实验

3.3.1 实验试剂选取

3.3.2 实验所需设备介绍

3.3.3 SiO2气凝胶合成步骤

3.4 不同配比气凝胶性能比较

3.4.1 相同配比样品的柔韧性比较

3.4.2 不同配比样品孔结构特性

3.5 SiO2气凝胶性能表征

3.5.1 气凝胶密度及孔隙率测量

3.5.2 气凝胶块体的柔韧性及弹性性能

3.5.3 接触角测试

3.5.4 热稳定性分析

3.5.5 表面微观形貌分析

3.5.6 比表面积和孔径分析

3.5.7 吸脱附曲线图

3.6 本章小结

第四章 气凝胶内部传热机理分析

4.1 引言

4.2 固气接触部位传热分析

4.3 介孔中的气相传热

4.4 辐射传热分析

4.5 总导热系数

4.6 本章小结

本章符号说明

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 主要成果及创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

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摘要

消防战斗服(以下简称消防服)肩负着保护消防员远离外界火焰、热辐射伤害等的重任,现今主要通过增加消防服隔热毡的厚度来满足阻燃隔热性能指标的要求。然而过于厚重的服装会限制人员的肢体活动灵活性,甚至降低救援效率,因此亟须优选轻质高效隔热材料来满足服装隔热性和舒适性的要求。世界上最轻的固体-气凝胶导热系数极低,在常温常压空气中可低至0.02W/(m·K)。气凝胶得天独厚的纳米孔隙结构、极低热导率和低密度的优良特性助其成为了应用前景广泛的超级隔热材料。
   本文拟考虑测试气凝胶替代消防服原有隔热毡的隔热性能,采用市售的气凝胶毡作为测试材料,并分别改变气凝胶毡厚度、层数和添加位置与原有消防服织物隔热性能对比,探索气凝胶运用于消防服装的可行性,隔热测试结果可为后续气凝胶合成实验提供指导。由于市售的气凝胶毡掉粉严重,且过于厚重,不利于直接运用于消防服装上,本文拟自行合成气凝胶多孔隔热材料并对其改性研究,探索将改性后的气凝胶材料与消防服织物结合,旨在提高消防服整体热防护性能及穿着舒适性。
   通过测试低辐射环境下不同厚度气凝胶毡及其组合方式的隔热性能,与现有消防服织物进行对比研究,得出结论如下:(1)对持续暴露于低辐射强度13min的消防服织物,运用气凝胶毡替代原有隔热毡对延缓其舒适层内侧温度上升有一定效果。(2)针对3 mm和6 mm两种不同厚度的气凝胶毡,在单层气凝胶毡的情况下,实验结果表明加入6 mm气凝胶毡对延缓舒适层内侧温升效果最优。(3)气凝胶总厚度相同,层数不同时,单层隔热效果优于叠加多层,如单层6 mm优于双层3 mm气凝胶隔热效果。(4)针对同一厚度单层气凝胶毡,将其置于织物内第二层位置对延缓舒适层内侧温升效果优于第三层。(5)对于厚度为3 mm的气凝胶毡,当气凝胶毡层数大于等于1后,增加气凝胶毡层数与延缓舒适层内侧温升效果不成正比,且成效甚微。
   本文SiO2气凝胶合成以甲基三甲氧基硅烷为前驱体,乙醇为溶剂,盐酸和氨水分别为水解、缩聚过程催化剂,经老化及常压干燥制得试管状、饼状疏水性气凝胶,且制得的气凝胶块体具有一定柔韧性、弹性。通过对气凝胶样品进行密度测试、疏水角测试、BET测试、热重和扫描电镜等分析,测得本文制备的SiO2气凝胶样品体积密度为0.086g/cm3,接触角为127°,比表面积为457.79m2/g,平均孔径大小为14.24nm,在空气中的耐温点可提高至251.15℃;扫描电镜分析结果表明样品具有连续多孔结构,且粒子堆积有序,为空间三维网络结构,其骨架疏松。

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