Experimental study of heat-insulating aerogel-based nanomaterials
Автор: Baikov I.R., Smorodova O.V., Trofimov A.Yu., Kuznetcova E.V.
Журнал: Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal @nanobuild-en
Рубрика: Power engineering nanotechnologies
Статья в выпуске: 4 Vol.11, 2019 года.
Бесплатный доступ
Research and synthesis of materials with fundamentally new properties play the key role in the development of modern science and technology. The most perspective materials are considered to be aerogels: nanostructured materials with many useful properties. The mesoporous structure of airgels determines their widespread use, both in industry and in science. Over the past few decades, nanostructured silica-based material has become an integral part of many industry segments: thermal and noise insulation, electronics, chemistry, medicine, environmental protection, industrial and fire safety, energy, aerospace industry, consumer goods and military technology. The article discusses an experimental study of the heat-shielding properties of a heat-insulating material based on silicon oxide airgel – Insuflex. This is a flexible rolled material used for thermal insulation of elements of technological installations, pipelines, valves and control valves. Using the method of ordinal statistics, the exponential dependence of the coefficient of thermal conductivity of the airgel on the average temperature of the sample is determined. The results obtained indicate the possibility of energy-efficient use of the material in heat supply and heat consumption systems.
Thermal conductivity, thermal insulation, aerogel, modeling, measurement
Короткий адрес: https://sciup.org/142227480
IDR: 142227480 | DOI: 10.15828/2075-8545-2019-11-4-462-477
Текст научной статьи Experimental study of heat-insulating aerogel-based nanomaterials
М ножество современных исследований сконцентрировано в сфере разработки новых материалов [1]. Наибольший интерес вызывает группа наноструктурных аэрогелей [2]. К 2019 г. в мире получены кварцевый, аморфный кремнеземный, углеродный, кремнеземный с добавками гадолиния и тербия [3], аэрогели на основе оксидов цинка, хрома, олова, вольфрама, железа с алюминиевыми добавками и пр. [4].
Материал класса аэрогелей представляет собой решетку из связанных между собой нановолокон или нанотрубок [5]. Это особый кластер веществ с высокой пористостью, удельной поверхностью, малым размером твердых частиц и ажурной структурой твердого каркаса [6]. Впервые аэрогели были синтезированы С. Кистлером (США) в начале 30-х годов ХХ века [2]. Первые образцы аэрогеля были получены на основе двуокиси кремния, оксидов алюминия, вольфрама, железа, олова и др. [7, 8]
В семействе гелей аэрогель на основе SiO2 вызывает интерес как с точки зрения научного изу- чения, так и для практического использования [9, 10]. Его валовое производство превышает третью часть от мирового синтеза наноматериалов [11]. Кремнийоксидный аэрогель имеет стохастическую фрактальную структуру, определяемую строением и характером связей между кремнийоксидными мостиками (O–Si–O–Si–O) [12]. Особые свойства аэрогеля обусловлены высоким удельным объемом пор (до 99% объема) с размерами каждой от 5 до 100 нм [13].
В табл. 1 приведены основные технические характеристики кремнеземного SiO2-аэрогеля на основе исследований Ливерморской национальной лаборатории им.Лоуренса (США) [14, 15].
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Актуальность задачи
Аэрогели с низкой теплопроводностью находят применение в качестве теплоизоляционных, тепло- и огнезащитных, звукоизоляционных, конструкционных, фильтрующих материалов и пр. [17]. Те-
Tаблица 1
Технические характеристики кремнеземного SiO2-аэрогеля [16]
|
№ п/п |
Наименование показателя |
Значение показателя |
|
1 |
Состав |
гидрофобный тип – 95% SiO2, ~4% С, ~1% Н гидрофильный тип – 99,6% SiO2, ~0,4%Н |
|
2 |
Плотность, кг/м 3 |
4…600 |
|
3 |
Пористость, % |
73…99,8 |
|
4 |
Толщина волокон, нм |
2…3 |
|
5 |
Площадь удельной поверхности, м 2 /г |
580…960 |
|
6 |
Коэффициент термического расширения, см/см |
~2×10 –6 (при температуре (293…353)К) |
|
7 |
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) |
0,016…0,030 |
|
8 |
Температура плавления, К |
~1473 |
|
9 |
Температура применения, К |
3…650 |
POWER ENGINEERING NANOTECHNOLOGIES • НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Рис.1. Зависимость коэффициента теплопроводности аэрогеля от средней температуры материала по сведениям производителя
• – результат измерений авторами
пловая защита на их основе все шире используются в холодильных технологиях для емкостей со сжиженными углеводородами [18].
Исследования авторов [18] показали, что общая теплопроводность аэрогеля незначительно зависит от свойств каркаса материала. При этом теплообмен теплопроводностью между гранулами и нановолокнами играет определяющую роль при невысоких режимных параметрах окружающей среды. При высоких температурах основная доля тепловой энергии переносится лучистым способом. Конвективный перенос теплоты в нанопорах и капиллярах диаметром менее 2 мм пренебрежимо мал в виду невозможности формирования потоков свободной конвекции [19]. Многими авторами экспериментально было подтверждено, что общая теплопроводность материалов на основе аэрогеля значительно зависит от свойств газа, заполняющего поры и капилляры, влажности окружающей среды и диаметра нанопор.
Исследования, проведенные на аэрогелях [20, 21], показывают, что с понижением температуры материала уменьшается теплопроводность (рис. 1).
При этом минимальные значения коэффициента теплопроводности достигаются в зоне глубоких отрицательных температур. Это свидетельствует об особой эффективности применения аэрогелей в криогенной области параметров эксплуатации.
Экспериментальная часть
Настоящая работа посвящена обоснованию теплозащитных свойств аэрогелевого материала в диапазоне температур эксплуатации систем те- плоснабжения. Экспериментальное исследование теплоизоляционных свойств аэрогеля проводилось на образцах промышленной тепловой изоляции, выполненной на основе стеклохолста. Это рулонный материал для покрытия технологического оборудования, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры с целью снижения потерь тепловой энергии [22]. Толщина материала в рулоне составляет 10 мм (рис. 2а). Точность проведения эксперимента была обеспечена организацией измерений на образцах двух видов – в 2 и в 3 слоя материала, т.е. полной толщиной 20 и 30 мм.
Для измерения коэффициента теплопроводности материала было использовано устройство ИТП-МГ4 «250» (рис. 2б).
Прибор предназначен для измерения показателей интенсивности теплообмена теплопроводностью: – коэффициента теплопроводности, λ, Вт/мК;
– термического сопротивления, R, м 2 К/Вт.
Опции прибора позволяют проводить эксперимент либо при стационарном режиме, либо методом теплового зонда.
В эксперименте определялась теплопроводность и термическое сопротивление материала при средней температуре образца от +15 о до +42,5 о С. Регулирование температур холодильника и нагревателя и их термостатирование выполнялось автоматически.
Основные технические характеристики прибора приведены в табл. 2.
При проведении измерений создается стационарный тепловой поток через плоский образец. В эксперименте фиксируется толщина образца, плотность теплового потока и температуры граней образца.
POWER ENGINEERING NANOTECHNOLOGIES • НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Рис. 2. Организация экспериментального исследования аэрогельного материала а – тепловая изоляция на основе аэрогеля Insuflex; б – измеритель теплопроводности ИТП-МГ4«250»
Tаблица 2
Технические характеристики ИТП-МГ4 «250»
|
№ п/п |
Наименование характеристик |
Значение характеристик |
|
1 |
Диапазон измерения коэффициента теплопроводности при стационарном режиме, Вт/м К |
0,01...1,5 |
|
2 |
Диапазон измерения термического сопротивления, м 2 К/Вт |
0,01...1,5 |
|
3 |
Диапазон измерения теплопроводности методом теплового зонда, Вт/мК |
0,03...1 |
|
4 |
Предел основной относительной погрешности определения коэффициента теплопроводности и термического сопротивления при стационарном режиме, % |
±5 |
|
5 |
Предел основной относительной погрешности определения коэффициента теплопроводности методом теплового зонда, % |
±7 |
|
6 |
Размеры испытываемого образца, мм |
250×250×5..50 |
|
Время одного измерения, не более, мин: |
||
|
7 |
– при стационарном режиме |
120 |
|
8 |
– методом теплового зонда |
10 |
Для обеспечения стационарности теплообмена в устройстве предусмотрен блок управления нагревателем и холодильником, выполненный на элементах Пельтье, тепломер, платиновые термопары. Охлаждение элементов Пельтье организовано вентилятором.
Измерения производились в стационарном режиме на образцах разной толщины при различных температурах нагревателя и холодильника во всем диапазоне рабочих температур прибора. Разница температур между нагревателем и холодильником поддерживалась в диапазоне 35–40 о С. Результаты измерений коэффициента теплопроводности материала для образца толщиной 30 мм приведены в табл. 3, для образца толщиной 20 мм – в табл. 4.
Анализ полученных результатов
Результаты, полученные в ходе измерений, показали, что экспериментальное значение теплопроводности теплоизоляционного материала лежит в достаточно узком диапазоне значений (0,017…0,02) Вт/мК при высокой повторяемости значения 0,018 Вт/мК. Следовательно, было сделано предположение о нормальном законе распределения значений теплопроводности для диапазона средних температур материала (17…42) о С.
Для подтверждения данной гипотезы [23] по результатам измерений, проведенных на образце толщиной 30 мм, была построена гистограмма относительных частот попадания значений теплопро-
POWER ENGINEERING NANOTECHNOLOGIES • НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Tаблица 3
Результаты измерений на образце толщиной 30 мм
Расчетное значение критерия согласия Пирсона χ2 идентифицировано на уровне 0,065, что свидетельствует о низкой достоверности принятой гипотезы. Это связано с влиянием средней температуры на те- плопроводность материала, которая для изученного диапазона температур существенна.
Зависимость коэффициента теплопроводности материала от средней температуры образца представлена на рис. 4а и 4б. Сплошной линией на рисунках показана зависимость коэффициента теплопроводности материала от температуры по данным изготовителя тепловой изоляции. В целом, представленные результаты подтверждают данные по теплоизоляционным свойствам аэрогеля, заявленные изготовителем данного материала (маркер на рис. 1).
POWER ENGINEERING NANOTECHNOLOGIES • НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Tаблица 4
Результаты измерений на образце толщиной 20 мм
|
Номер опыта |
Температура поверхности материала |
Коэффициент теплопроводности |
||
|
холодной |
нагреваемой |
средней |
||
|
t х |
t н |
tср |
λ |
|
|
о С |
о С |
о С |
Вт/м×К |
|
|
№ 1 |
–1 |
35 |
17 |
0,018 |
|
№ 2 |
2 |
38 |
20 |
0,018 |
|
№ 3 |
4 |
40 |
22 |
0,018 |
|
№ 4 |
6 |
42 |
24 |
0,018 |
|
№ 5 |
8 |
44 |
26 |
0,018 |
|
№ 6 |
10 |
46 |
28 |
0,018 |
|
№ 7 |
12 |
48 |
30 |
0,018 |
|
№ 8 |
14 |
50 |
32 |
0,018 |
|
№ 9 |
16 |
52 |
34 |
0,018 |
|
№ 10 |
18 |
54 |
36 |
0,018 |
|
№ 11 |
20 |
56 |
38 |
0,019 |
|
№ 12 |
22 |
58 |
40 |
0,019 |
Среднее значение коэффициента теплопроводности в интервале, Вт/м К
Рис. 3. Гистограмма относительных частот
При этом, на образце толщиной 20 мм прослеживается достаточно четкая возрастающая зависимость теплопроводности от температуры, соответствующая данным производителя теплоизоляционного материала.
Результаты, полученные на образце толщиной 30 мм, имеют достаточное количество шумовых помех, помешавших более точному определению искомой величины.
Построение модели для данных с большим разбросом дает приближенное решение с низкой ве- личиной достоверности. Для повышения точности определения зависимости был использован метод порядковых статик или порядковое приближение монотонной зависимости [23]. При этом, из полученных экспериментальных данных восстанавливают монотонную зависимость, в соответствии с заранее известным законом распределения. В частности, для теплопроводности это монотонно возрастающая функция. Результат применения метода порядковых статик для экспериментальных данных, полученных на образце толщиной 30 мм,
POWER ENGINEERING NANOTECHNOLOGIES • НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности материала от средней температуры образца аэрогеля: а – толщина образца 30 мм; б – толщина образца 20 мм
Рис. 5. Восстановленная методом порядковых статик зависимость коэффициента теплопроводности аэрогеля от средней температуры
представлен на рис. 5. Данные результаты имеют более высокую величину достоверности, по сравнению с начальными данными, что подтверждает эффективность данного метода для восстановления монотонных зависимостей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
-
1. Экспериментально установлено среднее значение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала на основе кремнийоксидного аэрогеля – Insuflex – на уровне 0,0185 Вт/мК, что существенно ниже аналогичных показателей для
-
2. Получено уравнение однопараметрической регрессии зависимости коэффициента теплопроводности аэрогельной тепловой изоляции от средней температуры материала.
-
3. Низкое значение коэффициента теплопроводности материала свидетельствует о высокой его энергоэффективности. Применение тепловой изоляции на основе аэрогеля позволит снизить тепловые потери не менее, чем на 47% по сравнению с применяемыми в системах теплоснабжения теплоизоляционными материалами.
прочих теплоизоляционных материалов в температурном режиме работы систем теплоснабжения.
POWER ENGINEERING NANOTECHNOLOGIES • НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Список литературы Experimental study of heat-insulating aerogel-based nanomaterials
- Baikov I.R., Smorodova O.V., Kitaev S.V. Investigation of properties of liquid ceramic thermal insulation materials. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2018, Vol. 10, no. 5, pp. 106–121. DOI: dx.doi. org/10.15828/2075- 8545-2018-10-5-106-121. (In Russian).
- Kistler S.S. Coherent expanded aerogels and jellies. Nature. 1931. Vol. 127 (3211). P. 741.
- Pimenov V.G., Sheveleva Ye.Ye., Sakharov A.M. Ustanovka dlya sverkhkriticheskoy sushki: izgotovleniye, opyt raboty i polucheniye nizkoplotnykh polimernykh aerogeley [Installation for supercritical drying: manufacturing, work experience and obtaining low-density polymer airgels].Sverkhkriticheskiye flyuidy: Teoriya i praktika [Supercritical fluids: Theory and practice]. 2011. Vol. 6. No. 4. Pp. 77–87. (In Russian).
- Pierre A.C., Pajonk G.M. Chemistry of Aerogels and Their Applications. Chem. Rev. 2002. V. 102. pp. 4243–4265.
- Rubtsov I.V., Denisov I.A., Varlamov B.S. Aerogel’ – material budushchego [Airgel – the material of the future].V sbornike: V Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya molodykh uchenykh, posvyashchennaya 54-y godovshchine poleta YU.A. Gagarina v kosmos sbornik nauchnykh statey. Filial VUNTS VVS «VVA» imeni professora N.Ye. Zhukovskogo i YU.A. Gagarina [In the collection: V International scientific and practical conference of young scientists dedicated to the 54th anniversary of the flight of Yu.A. Gagarin in space collection of scientific articles. Branch of VUNC Air Force “VVA” named after Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin] (Krasnodar). 2015. С. 63–67. (In Russian).
- Hwang S.E., Jang H.H., Hyun H.H., Ahn Y.S. Effective preparation of crack-free silica aerogels via ambient drying. J. Sol- Gel Sci. Techn. 2007. No. 41. Pp.139–146.
- Yokogawa H. Thermal Conductivity of Silica Aerogels. Handbook of Sol_Gel Science & Technology‖, vol. 2(13). 2005. Kluwer Academic Publishers, New York, USA.
- Dowson M., Harrison D., Craig S., Gill Z. Improving the Thermal Performance of Single Glazed Windows using Translucent Granular Aerogel. International Journal of Sustainable Engineering. 2011. No. 4(3). Рр. 266–280.
- Men’shutina N.V., Katalevich A.M., Smirnova I. Polucheniye aerogeley na osnove dioksida kremniya metodom sverkhkriticheskoy sushki [Obtaining airgels based on silicon dioxide by the method of supercritical drying]. Sverkhkriticheskiye flyuidy: Teoriya i praktika [Supercritical fluids: Theory and practice.] 2013. Vol. 8. No 3. Pp. 49–55. (In Russian).
- Pustovgar A.P., Vedenin A.D. Teploizolyatsionnyye nanokompozity na osnove aerogelya kremnezema [Heat-insulating nanocomposites based on silica airge]. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh’ya [Scientific and Technical Bulletin of the Volga Region]. 2013. No 1. Pp. 252–254. (In Russian). Available at: https://elibrary.ru/download/elibrary_18800022_16720559.pdf. (accessed: 10.08.2019).
- Buznik V.M., Kablov Ye.N., Koshurina A.A. Materialy dlya slozhnykh tekhnicheskikh ustroystv arkticheskogo primeneniya [Materials for complex technical devices of Arctic use]. Nauchno-tekhnicheskiye problemy osvoyeniya Arktiki [Scientific and technical problems of Arctic development] RAN. M.: Nauka, [RAS. M.: Nauka,] 2015. Pp. 275–285. (In Russian).
- Dolbin A.V., Khlystyuk M.V., Yesel’son V.B., Gavrilko V.G., Vinnikov N.A., Basnukayeva R.M. Sorbtsiya vodoroda kremniyoksidnym aerogelem pri nizkikh temperaturakh [Hydrogen sorption by silicon oxide airgel at low temperatures]. Fizika nizkikh temperature [Low Temperature Physics] 2018. Vol. 44. No 2. Pp. 191–196. (In Russian). Available at: https://elibrary.ru/download/ elibrary_32266236_44926583.pdf. (accessed: 10.08.2019).
- Men’shutina N.V., Katalevich A.M., Lebedev A.Ye. Nanostrukturirovannyye materialy na osnove dioksida kremniya: aerogel’, kserogel’, kriogel’ [Nanostructured materials based on silicon dioxide: airgel, xerogel, cryogel]. Yestestvennyye i tekhnicheskiye nauki [Natural and technical sciences.] 2013. No. 2 (64). Pp. 374–376. (In Russian).
- Ismail A.A., Ibrahim I.A. Impact of supercritical drying and heat treatment on physical properties of titania/silica aerogel monolithic and its applications. J. Applied Catalysis A: General. 2008. Vol. 346 (1–2). Pp. 200–205.
- Kwon Y.G., Choi S.Y., Kang E.S., Baek S.S. Ambient-dried silica aerogel doped with TiO2 powder for thermal insulation. J. Mater. Sci. 2000. No. 35. Pp. 6075–6079.
- Ivanov N.N., Ivanov A.N. Teploizolyatsionnyy aerogel’ i p’yezoaktivnaya plenka PVDF – sovremennyye, perspektivnyye materialy dlya kosmicheskoy tekhniki i kosmicheskogo priborostroyeniya [Heat-insulating airgel and piezoactive PVDF film – modern, promising materials for space technology and space instrument engineering].Vestnik NPO im. S.A. Lavochkina [Issue NPO after S.A. Lavochkin.] 2011. No 2 (8). Pp. 46–52. (In Russian). Available at: https://elibrary.ru/download/elibrary_16386904_43616464. pdf. (accessed: 10.08.2019).
- Kuznetsova Ye.V., Turumtayev G.R., Khristolyubova D.V. Ekonomicheskoye obosnovaniye primeneniya sovremennykh teploizolyatsionnykh materialov v stroitel’noy otrasli [The economic rationale for the use of modern thermal insulation materials in the construction industry]. Yevraziyskiy yuridicheskiy zhurnal [Eurasian Law Journal.] 2018. No. 11 (126). Pp. 393–394. (In Russian).
- Askhadullin R.Sh., Osipov A.A., Gulevskiy V.A., Ul’yanov V.V., Ivanov I.I., Kharchuk S.Ye. Issledovaniye mekhanizmov sinteza anizotropnykh nanostruktur v zhidkikh metallakh. Svoystva i perspektivnyye oblasti ikh primeneniya [Study of the synthesis mechanisms of anisotropic nanostructures in liquid metals. Properties and promising areas of their application]//V sbornike: Trudy regional’nogo konkursa proyektov fundamental’nykh nauchnykh issledovaniy [In the collection: Proceedings of the regional competition of fundamental scientific research projects] Kaluga, 2016. Pp. 84–97. (In Russian). Available at: https://elibrary.ru/ download/elibrary_28430107_60072610.pdf. (accessed: 10.08.2019).
- Razd’yakonova G.I., Kokhanovskaya O.A., Likholobov V.A. Sintez poroshkov aerogel’nogo tipa na osnove tekhnicheskogo ugleroda [Synthesis of airgel-type powders based on carbon black].Perspektivnyye materialy [Promising material]. 2014. No. 8. Pp. 68–74. (In Russian). Available at: https://elibrary.ru/download/elibrary_21844829_77073953.pdf. (accessed: 10.08.2019).
- Martynov P.N., Askhadullin R.SH., Yudintsev P.A. Aerogel’ ALOOH: polucheniye, svoystva, primeneniye [Airgel ALOOH: production, properties, application]. Nanotekhnika [Nanotechnology]. 2006. No. 1 (5). Pp. 35–41. (In Russian).
- Vedenin A.D., Vityaz’ P.A., Galinovskiy A.L., Ivanova I.S., Mazalov YU.A., Pustovgar A.P., Sudnik L.V. Eksperimental’noye issledovaniye teploizolyatsionnykh aerogel’nykh kompozitov gidrotermal’nogo reaktora [An experimental study of heat-insulating airgel composites of a hydrothermal reactor]. Tekhnologiya metallov [Metal Technology]. 2016. No. 4. Pp. 43–47. (In Russian).
- Kiyamov I.K., Vachitova R.I., Saracheva D.A., Mazankina D.V., Sitdikova I. P. The use of nanomaterials in pipe insulation. Nanotehnologii v stroitel’stve = Nanotechnologies in Construction. 2019, Vol. 11, no. 2, pp. 194–202. DOI: 10.15828/2075-8545- 2019-11-2-194-202.
- Saati T. Prinyatiye resheniy pri zavisimostyakh v obratnykh svyazyakh: Analiticheskiye seti [Decision making with dependencies in feedbacks: Analytical networks]/ per. s angl.; nauch. red. A.V. Andreychenkov, O.N. Andreychenkova [trans. from English; scientific ed. A.V. Andreichenkov, O.N. Andreichenkova]. Moskva. Izdatel’stvo LKI [Moscow: Publishing house LCI], 2008. 360 p. (In Russian).
