低温下纳米/聚氨酯复合绝热泡沫的相变传热传质机理分析及热膨胀研究

本项目针对纳米/聚氨酯绝热泡沫低温传热机理不清晰，低温热物性缺乏等急待解决的问题，以HFC-245fa、戊烷系列及水做发泡剂，以蒙脱土、SiO2及TiO2为复合纳米粒子制作的环境友好型纳米/聚氨酯泡沫的低温传热特性进行研究。以低温热导率的实验研究为基础，采用纳米粒子两维平行周期性分布和三维随机分布两种手段探讨气体的扩散路径及扩散机理，结合气体相变，定量描述泡孔内混合气体导热问题。结合泡孔尺寸和分布特点，考虑渐变的骨架截面积和骨架相交处的材料累积效应研究基体固体导热，建立综合性的低温传热模型。通过低温线性膨胀系数的实验测试，研究此各向异性纳米复合材料的低温变形机理并进行量化分析。本项目的研究结果不仅为此新材料的低温应用提供基础性数据支持，而且将传统的绝热泡沫传热问题扩展至纳米粒子复合并带有气体扩散和相变，丰富了高孔隙率纳米复合材料的传热理论，具有重要的理论指导意义与科学价值。

首先针对过渡型发泡剂HCFC-141b和环境友好型发泡剂HFC-245fa、HFC-365mfc和水，经过对各种试剂助剂用量的匹配优化，制作了环境友好型聚氨酯泡沫，尤其是在异氰酸酯指数和发泡剂用量这两个参数上进行了系统的实验探索，得到了最佳的泡沫配方体系。在此基础上采用三种形式的纳米二氧化硅和三种形式的有机蒙脱土对上述环境友好型聚氨酯泡沫进行改良，得到了最佳的纳米粒子添加量，制作出了纳米/聚氨酯复合绝热泡沫材料。. 采用多种标准实验方法对环境友好型硬质聚氨酯泡沫及纳米复合泡沫的常规性能参数进行了测量，包括压缩强度、尺寸稳定性、密度及吸水率等。采用扫描电镜对上述新开发的泡沫材料进行了详细的泡孔微观结构组成分析，为探讨绝热性能奠定了基础。采用X射线衍射技术分析了纳米粒子在泡孔壁及泡孔骨架上的分布状况。采用热重分析探讨了此新型泡沫的热稳定性。实验表明，特定形式的纳米二氧化硅和纳米有机蒙脱土，如果采用最佳的用量，可以提高环境友好型聚氨酯泡沫的机械性能，改善泡沫的泡孔结构，并能够改善其热稳定性。. 为了探讨环境友好型聚氨酯泡沫及纳米复合泡沫的低温应用的可行性，开发了低温热导率测试仪、石英示差试验台及低温量热仪对所开发泡沫的绝热性能、热膨胀性能和比热容等基础性热物性参数进行了系统研究，为低温应用提供了必要的基础性数据支持。以此为基础进行了泡沫在低温工况下的分层绝热模型分析。另外针对以环境友好型发泡剂制作的聚氨酯绝热泡沫所制得的真空绝热板进行了理论及实验研究，从聚氨酯泡沫芯材放气和表面隔膜热桥效应的角度对真空绝热板中的热质传递现象进行了研究，探讨了真空绝热板内部压力由于芯材的真空放气导致的压力升高随时间的变化问题，另外也计算了表面隔膜的热流率。. 此项目所得研究结果为聚氨酯绝热泡沫领域的发泡剂替代提供了较详细的基础性数据支持，为发展纳米复合型绝热泡沫进一步增强建筑物节能水平及降低低温液体储运的冷能损失奠定了基础。