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纳米缝隙对保温材料隔湿性能影响的机理探索 安徽建筑大学 胡浩威 李钦 李云 方廷勇 摘要：目前建筑节能中普遍重视保温材料的热传递影响,而忽视湿影响，若保温材料的隔湿 性能降低将会严重影响保温效果。为了深入明晰保温材料与液态水的相互作用机理，本文从 微观层面对保温材料的隔湿性能进行机理性探索，采用分子动力学模拟方法，建立了不同亲 疏水性材料壁面模型，研究了亲水性与疏水性纳米缝隙对液态水的阻隔作用，结果表明，在 一定压差条件下，疏水性纳米缝隙对液态水有较好地阻隔作用，且复合纳米缝隙的结构对隔 湿性能会产生一定影响。 关键词：纳米缝隙；疏水性；隔湿性能；浸入速度 1 引言 能源消耗问题是影响社会经济发展的关键问题，根据 《中国建筑能耗研究报告（2017 年）》，2015 年建筑耗能在整个能源消耗中约占20% 以上，所以建筑节能的意义就显得尤为 重要。在建筑节能当中，围护结构的节能贡献达到40 ％～65 ％，可见，围护结构的墙体保温 材料的性能好坏是影响建筑节能的重要因素之一，合理地选用高效、节能的保温材料是实现 建筑保温节能的重要途径。 目前，高效保温材料在此基础上得到了快速发展，但是需要特别注意的是，过去行业内 往往过分重视保温材料的热传递影响，而忽视其湿影响，保温材料的结露及吸湿现象能够显 著降低保温材料的隔热性能，因此，越来越多的国内外学者对保温材料的热湿特性开展了相 关研究。 罗金凤和苏向辉[1]采用有限差分法，分别对使用苯板（EPS ）、挤塑聚苯乙烯泡沫板（XPS ）、 聚氨酯（PU ）作为保温层时进行数值求解，研究发现保温材料吸湿会增大其热导率，进而增 加能耗。Kolaitis 等[2]研究了采用内保温层时外墙的性能，发现在低温潮湿的环境时，外墙会 有水蒸气冷凝的现象发生，保温材料的隔热性能与其吸透湿性能密切相关，保温材料吸湿后， 湿分在其内部积累，不但会导致保温材料的导热系数增大，降低保温效果，而且积累的湿分 遇冷会有凝结水产生，进而导致保温材料腐烂、内部霉菌滋生等问题。Ibrahim 等[3] 以气凝胶 复合材料为外墙保温材料，发现当环境湿度增至90 ％时，材料的导热系数增大约50 ％，该 材料在湿度较高时的隔热性能需进一步提高。为了进一步解决目前建筑节能中片面强调热传 递而忽视湿影响的现状，张九红等[4]提出了一种利用湿度传感器代替试纸称重法测定围护结 构内部湿度的新方法，为严寒地区墙体的保温构造方案提供依据。陈磊等[5]基于Darcy 渗流 扩展模型，数值模拟研究了剧烈变温环境下保温材料的除湿过程，并分析了温度、水蒸气浓 度、液态水等的变化规律。张玉会[6]等以洗水棉纤维毡为支撑体，以超级绝热SiO 气凝胶为 2 填充介质，采用溶胶-凝胶法和常压干燥制备了纤维毡/SiO2 气凝胶复合保温材料,对复合材料 胡浩威，男，1986 年11 月生，博士，讲师，安徽省合肥市蜀山区紫云路292 号，230601 ，E-mail ： huhaoweihhw@ 基金项目：安徽省自然科学基金项目（1808085QE 164）；安徽省高校自然科学研究重点项目 （KJ2017A488 ）；热流科学与工程教育部重点实验室（西安交通大学）开放基金；“十三五”国家重点研 发计划项目（2017YFC0702600 ） 的微观结构和疏水性能进行了表征,测试了不同湿度环境下纤维毡及其复合材料的吸湿率和 透湿率，认为该复合材料对潮湿地区的隔热保温具有很好的应用价值。 通过上述分析发现，现有的研究内容主要集中于保温材料的隔热性能及其热湿传递特性， 但是对于保温材料中保温材料隔湿性能的微观现象及机理的研究仍未涉及，因此，本文从微 观角度出发，针对简单纳米缝隙对液态水的阻隔作用进行分析与探索，初步研究不同亲疏水 性质的保温材料的隔湿性能，并分析其影响规律，旨在为发展和设计高效隔热、隔湿保温材 料提供理论依据。 2 模拟方法 本文采用分子动力学方法对纳米缝隙的隔水性能进行数值模拟研究。分子动力学可以模 拟纳米尺度下的微观体系，得到原子、分子的运动轨迹，计算发生在观察时间内的物理现象。 分子动力学模拟可以得到复杂分子的热力学性质、结构、力学性质，特别是可以观察体系的 动态演变过程，能够有效进行微观动态过程分析，揭示宏观现象的微观机理 由于本文研究主要针对保温材料的纳米缝隙与液态水的相互作用，因此，在模拟的过程 中，不设