【摘 要】
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基于碳中和、碳达峰的现实需求背景,本课题开展了农林废弃物制备建筑保温材料的研究,对于农林废弃物变废为宝高值化利用、实现负二氧化碳排放、促进建筑节能降耗具有重要意义。本课题借助实验研究手段,提出与验证了农林废弃物建筑保温材料制备技术路径。具体包括:探索新型生物质复合保温材料制备工艺路线;展开包括密度、热学性能、力学性能、水力学性能以及防火性能等多目标性能测试研究;针对关键工艺参数影响特性深度分析,如
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基于碳中和、碳达峰的现实需求背景,本课题开展了农林废弃物制备建筑保温材料的研究,对于农林废弃物变废为宝高值化利用、实现负二氧化碳排放、促进建筑节能降耗具有重要意义。本课题借助实验研究手段,提出与验证了农林废弃物建筑保温材料制备技术路径。具体包括:探索新型生物质复合保温材料制备工艺路线;展开包括密度、热学性能、力学性能、水力学性能以及防火性能等多目标性能测试研究;针对关键工艺参数影响特性深度分析,如水灰比、原材料预湿水量、发泡剂量、生物质量、生物质炭化程度等。本文的主要研究内容如下:首先,本课题选取环保高性能的地质聚合物作为生物质复合保温材料的无机胶凝材料,并采用正交试验法研究了理论氧化物SiO2/Na2O摩尔比、SiO2/Al2O3摩尔比、水灰比（制备地质聚合物混合水与地质聚合物总固含量的比值）三个变量对无机胶凝材料地质聚合物力学性能的影响。同时,以正交试验得到的最佳参数值制备的地质聚合物作为无机胶凝材料,林业废弃物锯末作为原材料,制备了新型生物质复合保温材料,并研究了养护条件和水灰比对生物质复合保温材料物理性能的影响。实验结果表明:各因素的最佳实验搭配组合方案为理论氧化物SiO2/Na2O摩尔比=3.3,SiO2/Al2O3摩尔比=3.2,水灰比=0.5。生物质复合保温材料的两步养护法要远远优于一步养护法。当水灰比为0.5～0.55时,生物质复合保温材料的综合物理性能最佳,其对应的导热系数为0.114～0.125W/（m·K）。其次,研究了预湿水与生物质质量比值（mw/m B）、双氧水与地质聚合物质量比值（mH/m G）和生物质与地质聚合物质量比值（mB/m G）三个主要变量对锯末生物质复合保温材料物理性能的影响。实验结果表明:从资源节约和综合性能两方面考虑,质量比mw/m B为1～2的生物质复合保温材料为最佳选择,其导热系数为0.125～0.118 W/（m·K）。当质量比mH/m G为0.012～0.015时,生物质复合保温材料可达到较佳的综合物理性能,此时保温材料的导热系数为0.125～0.112 W/（m·K）。质量比mB/m G为0.12时,生物质复合保温材料的综合性能最佳,其导热系数为0.125 W/（m·K）。由于生物质原材料的存在,生物质复合保温材料的耐高温性能还有待进一步提升。然后,本课题从生物质原材料本身出发,脱除其部分挥发分,通过提升生物质着火温度的方式来进一步提升生物质复合保温材料的整体防火性能。为了研究炭化条件对生物质原材料的成分及性能的影响,对锯末和小麦秸秆原材料及其炭化处理后的生物质的物理和化学性能进行了表征和分析。实验结果表明:原生态锯末和小麦秸秆中的挥发分含量最高,其次为固定碳含量,且主要的元素均为C和O。原生态锯末的主要组成成分为木质素和纤维素,而原生态小麦秸秆的木质素含量则远远小于纤维素和半纤维素含量。随着热解程度的增加,炭化锯末和小麦秸秆中与纤维素、半纤维素及木质素相关的官能团键逐渐断裂,且炭化锯末的着火温度由270℃上升至360℃,炭化小麦秸秆的着火温度最高值为258℃。最后,为了改善生物质复合保温材料的防火性能,采用炭化锯末和炭化小麦秸秆作为原材料,地质聚合物作为无机胶凝材料制备了炭化生物质复合保温材料,并表征和分析了其相关物理性能。实验结果表明:随着生物质炭化程度的增加,炭化生物质复合保温材料的孔隙大小均呈现先减小后增大的趋势,导热系数、抗压强度以及密度则均呈现先增加后降低的趋势。在高温火焰喷射下,由于地质聚合物的阻燃效应及炭化生物质燃点的提升,炭化生物质复合保温材料的防火性能均随着生物质炭化程度的增加而逐渐提升。同时,炭化生物质复合保温材料在高温火焰中暴露一定时间后始终能维持结构的完整性,没有掉渣和塌陷等现象的产生。回收利用农林废弃物制备生物质复合保温材料替代传统保温材料,不仅可以提高农林废弃物的经济效益,还可以节约资源、保护环境。同时,选用高性能环保的无机胶凝材料、采用简单且能耗低的制备工艺以及炭化生物质等技术措施提升生物质复合保温材料的综合性能,可极大的推进绿色新材料及高品质绿色建筑的建设。
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