Vysoce funkční materiály s obsahem aerogelu

Xiaoman Xiong, M.Eng.

Doctoral thesis

Aerogel Embedded High-performance Fibrous Materials

Abstract:

Fibrous materials are widely used as thermal insulators in various applications. Their thermal insulation ability is restricted when the material thickness is limited to few milli-meters. Nowadays, development of high-performance insulation materials to save energy consumption, increase comfort, decrease cost and complexity has drawn increasing attention. Silica aerogel, exhibiting superior thermal insulation performance with extremely low thermal conductivity, has been well acknowledged as one of the most attractive thermal insulating materials. The objective of this thesis was to develop aerogel embedded high-performance fibrous materials for thermal insulation application and investigate their performance. Layered nanofibrous web/silica aerogel/ nonwoven materials were prepared via laminating method by using low melting powder as thermal binding material. The effect of aerogel and thermal adhesive on thermal insulation performance and air permeability was examined. A series model was considered for thermal resistance, the theoretical predicted and measured results were compared and analysed. Results revealed that novel techniques to combine silica aerogel with high porous textiles with less use of binding materials should be considered. A novel aerogel-encapsulated fibrous material without using any binding material to bond aerogel particles was developed by using laser engraving technique and laminating method. Thermo Camera, Alambeta device and KES-FT-II Thermolabo were employed to measure thermal performance. Compression test was performed to examine the compression recovery which determines the sustainability of thermal insulation ability. Moreover, a laboratory-made dynamic heat transfer device was used to figure out convective thermal behaviour of these multi-layered materials as well as aerogel treated nonwovens under different airflow velocity and heating conditions. The real-time temperature curves of different materials were compared. The temperature difference and convective heat transfer coefficient under continuous heating condition were calculated and investigated. The findings could contribute to new developments in flexible aerogel-embedded high-performance textile materials for both industrial and clothing applications. Flexible polyurethane and polyvinylidene fluoride nanoporous membranes embedded with silica aerogel were prepared by electrospinning technique. Thermal properties and air permeability were evaluated and compared. It was concluded that nanofibers embedded with aerogel are good for thermal insulation in cold weather conditions. Thermal insulation battings incorporating nanofibers could possibly decrease the weight and bulk of current thermal protective clothing. Statistical analysis software, Matlab_R2017a were used to conduct all the statistical results in this study. The findings are significant and can be used for further study in the areas of aerogel embedded high-performance fibrous materials for thermal insulation in building, industrial and protective textile fields.

Abstract:

Vlákenné materiály jsou široce používány jako tepelné izolátory v různých aplikacích pro úsporu energie. Jejich tepelně izolační vlastnosti jsou omezeny, pokud je tloušťka materiálu omezena na několik milimetrů. V dnešní době je stále častěji kladen důraz na vývoj vysoce výkonných tepelně izolačních materiálů pro úsporu energie, zvýšení pohodlí, snížení nákladů a složitosti těchto systémů. Aerogel, který vykazuje vynikající tepelnou izolaci s extrémně nízkou tepelnou vodivostí, byl shledán jedním z nejatraktivnějších tepelně izolačních materiálů. Cílem této práce bylo vyvinout vysoce výkonný aerogel spojený s vlákennými materiály pro tepelnou izolaci a prověřit jeho výkon. Vrstvená nanovlákenná síťovina /aerogel /netkané materiály byly připraveny použitím laminovací metody s práškem s nízkým bodem tání jako tepelně spojujícím materiálem. Byl zkoumán účinek aerogelu a tepelného lepidla na tepelnou izolaci a propustnost vzduchu. V úvahu byl vzat sériový model pro tepelný odpor, byly porovnány a analyzovány teoretické předpoklady a naměřené výsledky. Bylo navrženo, že by měly být vzaty v úvahu nové techniky kombinující aerogel s vysoce porézními textiliemi s menším využitím pojivových materiálů. Nový aerogel obalený vlákenným materiálem bez použití jakéhokoliv pojivového materiálu, který spojuje částice aerogelu, byl vyvinut pomocí techniky laserového gravírování a laminovací metody. Pro měření tepelného výkonu byly použity termální kamera, zařízení Alambeta a KES-FT-II Thermolab. Byla provedena tlaková zkouška ke zkoumání kompresního zotavení, které určuje udržitelnost tepelné izolace. Dále bylo použito laboratorně vyráběné dynamické zařízení pro přenos tepla pro zjištění konvektivního tepelného chování těchto vícevrstvých materiálů, jakož i netkaných textilií obalených aerogelem, při různých rychlostech proudění vzduchu a zahřívání. Byly porovnány teplotní křivky v reálném čase z měření předehřátých podmínek. Byly vypočteny a posouzeny hodnoty teplotních rozdílů a konvektivního součinitele přestupu tepla za podmínek kontinuálního ohřevu. Zjištění by mohla přispět k novému vývoji pružných vysoce výkonných textilních materiálů se zabudovaným aerogelem pro průmyslové i oděvní aplikace. Pružné polyuretanové a polyvinylidenfluoridové nanoporézní membrány kombinované s aerogelem na bázi oxidu křemičitého byly připraveny elektrostatickým zvlákňováním. Tepelné vlastnosti a propustnost vzduchu byly hodnoceny a porovnávány. Byl učiněn závěr, že nanovlákna s aerogelem jsou vhodná pro tepelnou izolaci za chladného počasí. Tepelně izolační nosiče obsahující nanovlákna by mohly případně snížit hmotnost a objem tepelně ochranného oblečení. Pro provedení a vyhodnocování všech statistických výsledků byl v této práci použit statistický a analytický software Matlab_R2017a. Dosažené výsledky jsou významné a mohou být použity pro další studium v oblasti tepelných vlastností vysoko pevnostních vlákenných materiálů s aerogelem, které mohou být využity například pro tepelnou izolaci budov či ochranné oděvy.

Keywords

vlákenná struktura, aerogel, měření teploty, kompresní zotavení, nanovlákna

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 11. 2018

Thesis defence

• Supervisor: doc. Rajesh Mishra, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering