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稻秆复合材料热绝缘性能及有限元分析研究，通过预处理制备稻秆增强聚合物复合材料，实验测得热导率0.0354 W/m·K，与EPS、玻璃棉相当。FEA模拟显示稻秆夹芯墙热稳定性优于传统材料，降低热梯度达15%-20%，兼具环保与经济优势。
高拉夫·班萨尔（Gaurav Bansal）| 苏克米特·辛格（Sukhmeet Singh）| 迪帕克·贾恩（Deepak Jain）| 拉文德·辛格·乔希（Ravinder Singh Joshi）
印度帕蒂亚拉（Patiala）147001，塔帕尔工程与技术学院（Thapar Institute of Engineering and Technology, TIET）机械工程系
摘要
提高建筑围护结构的热效率是减少运营能耗和实现低碳建筑目标的关键。随着对可持续、低能耗绝缘材料的探索日益加剧，农业废弃物为替代传统石油基绝缘材料提供了有前景的途径。本研究评估了稻草这种丰富的农业废弃物作为建筑用环保高效隔热材料的潜力。工作重点在于开发和评估以稻草为增强材料的聚合物复合材料在混凝土夹芯板中的隔热性能。稻草经过预处理后制成低密度聚合物复合板，再与自粘聚酯薄膜层压结合。通过热流计方法测量复合材料的导热系数，其值约为0.0354 W/m·K，与传统绝缘材料（如膨胀聚苯乙烯EPS和玻璃棉）相当。进一步进行了有限元分析（FEA），模拟了不同隔热芯材在夹芯砌体墙中的热传递和热应力分布。模拟在50℃和5℃的环境条件下进行，以代表炎热和寒冷气候。结果表明，基于稻草的绝缘材料显著增强了热阻，保持了室内温度的稳定性，并减少了墙体截面的温差。此外，与EPS和玻璃棉相比，这些复合材料在热机械性能上也表现出优势。研究结果表明，稻草增强聚合物复合材料是一种可行、环保且经济高效的替代品，将其应用于建筑围护结构有助于实现轻量化、节能和可持续的建筑实践，符合当前减少建筑环境足迹的全球努力。
引言
在建筑领域，提高能源效率和减少生命周期碳排放已成为各国发展气候适应性基础设施和实现净零目标的核心重点。建筑物的运营能耗在很大程度上取决于其围护结构的热性能，而这又取决于所选绝缘材料和建筑材料。尽管传统绝缘材料效果良好，但它们通常依赖化石燃料衍生的聚合物和资源密集型制造工艺，导致较高的隐含能量和环境负担。这引发了全球对低碳、生物基替代品的兴趣，这些替代品既能提升热性能，又能解决废弃物管理问题。农业废弃物在农业经济中大量产生，为开发可持续的高性能建筑材料提供了未被充分探索的途径。
另一方面，在许多农业密集地区，焚烧农业残余物已成为一个主要的环境问题。每个收获季节都会产生大量作物残余物，如稻草、小麦和甘蔗秸秆。由于意识不足、基础设施不足以及残余物管理成本高昂，农民常常选择露天焚烧作为最快且最经济的方法来清理田地以备下一次播种[1]，[2]。图1展示了这种普遍存在的做法，尤其是在发展中国家。虽然焚烧方便，但它会释放大量颗粒物、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O），严重污染空气、形成烟雾并加剧温室气体积累。这些排放不仅降低空气质量，还会导致严重的健康问题、土壤养分流失和不利的气候影响。
为缓解这些问题，采用高效和可持续的残余物管理系统至关重要。这类系统可以在减少农业废弃物处置的环境影响方面发挥关键作用。已经探索了多种策略来有效利用作物残余物，包括将其转化为生物能源、用作发电的替代燃料，以及在造纸和纸浆制造等行业的应用[3]，[4]。除了减少污染外，这些方法还将农业废弃物转化为有价值的原材料，创造了新的经济机会，并推动了材料科学的创新，为多个工业领域的新型应用铺平了道路[5]，[6]。
近年来，土木工程中对可持续和环境友好材料的日益重视凸显了农业废弃物作为生产低成本绿色建筑材料的可再生资源的潜力[7]。这一概念通常被称为废弃物增值，涉及将废弃物转化为有用产品，从而符合循环经济的原则[8]，[9]，[10]。通过废弃物增值，农业废弃物可以有效转化为复合材料、绝缘板或聚合物基组件。将这些可持续替代品整合到建筑领域可以显著减少对合成不可再生材料的依赖，降低总体碳排放，并减轻与传统建筑实践相关的健康和环境风险。
通过将膨胀聚苯乙烯（EPS）与地质聚合物混凝土结合，开发了一种绝缘混凝土模板，以提升传统混凝土的热绝缘和机械性能[11]。图2展示了EPS模板在土木工程中的应用[12]。尽管EPS具有良好的热绝缘性能，但它不是环保材料，且耐湿性较低。
玻璃棉是另一种用于住宅和商业用途的传统绝缘材料。关于EPS和玻璃棉的研究指出了其缺点，如界面粘结性差、防火性能低以及相关的环境问题[13]。这些研究强调了转向使用天然纤维作为合成隔热材料替代品的必要性，从而促进更可持续和健康的建筑环境。一些作者使用各种天然纤维（如肯纳夫纤维[14]）制造纤维增强聚合物复合材料，从椰壳中提取的椰子纤维[15]用于聚合物复合材料的增强，黄麻纤维[16]则应用于纺织、建筑和汽车等多个行业。最近的研究表明，使用海藻酸钠和壳聚糖等天然粘合剂的完全生物基稻草复合材料具有较低的热导率（0.038–0.047 W/m·K）和良好的湿热性能。此外，粘合剂类型和纤维尺寸也会影响蒸汽渗透性和吸湿性[17]。稻草和小麦秸秆已被用作泥砖和灰泥墙的增强材料，以改善其结构和热性能[18]。当与石膏等传统涂层结合使用时，夹有秸秆捆的墙体表现出良好的热绝缘和隔音效果[19]。关于将稻草加入轻质空心石膏块的研究实验评估了其热、声学和防火性能[20]。这些研究表明，加入稻草降低了材料的整体密度和导热系数，尽管也观察到压缩强度略有下降。对稻草基复合材料的研究表明，纤维预处理提高了湿热老化过程中的耐湿性。结果显示，水预处理可将吸湿率降低约15%至20%。与未经处理的复合材料相比，预处理后的复合材料在加速水热老化（7–14天）条件下的抗降解性能得到增强。这突显了适当预处理对长期耐久性的重要性[7]。
本研究的主要目的是评估增强有农业残余物的聚合物复合材料的热机械性能，并将其与传统土木砌体中常用的绝缘材料进行比较。为此，实验测定了含有和不含有薄聚合物层（约100微米厚）的残余物复合材料的导热系数。这些测量结果提供了关于材料热传递特性及其适用性的见解。随后通过对以残余物、EPS和玻璃棉为芯材的砌体墙进行有限元分析，评估了这些绝缘材料在炎热和寒冷环境下的热传递响应和热应力。因此，该研究强调了利用农业残余物开发轻量化、环保和节能建筑材料的潜力，符合现代可持续性和绿色建筑实践的目标。
材料
本研究的主要原料是收获季节从当地农田收集的稻草。稻草是一种轻质的农业废弃物，密度约为200 kg/m3。稻草废料的典型长度在700–800毫米之间，平均直径约为5–6毫米，如图3所示。其中空的圆柱形结构和薄纤维素壁使其天然具有轻质和高效的隔热性能。
复合试样的制备
为了制造天然纤维聚合物复合材料，通常采用多种预处理方法来增加纤维表面的粗糙度，从而提高其与聚合物基体的相容性[21]。提高稻草表面的粗糙度尤为重要，因为它可以促进与树脂的更好界面粘结，最终提升复合材料的机械性能和耐久性。在本研究中，选择了水预处理方法，因为它可以避免……
有限元分析
进行有限元分析（FEA）以评估由两层混凝土和中间隔热层组成的复合墙的热传递和机械应力行为。考虑了层压稻草废弃物聚合物复合材料（LSC）、非层压稻草废弃物聚合物复合材料（NSC）、膨胀聚苯乙烯（EPS）和玻璃棉（GWL）作为隔热层。将隔热墙的热机械性能与未隔热的实心墙进行比较结果与讨论
本节讨论了实验导热性能研究和不同绝缘材料的热传递及热应力分析的结果。
结论
本研究通过全面的实验和基于有限元的分析方法，评估了稻草废弃物及其他绝缘材料的热传递效果。首先进行实验工作，制备稻草废弃物复合材料并测定其导热系数。随后通过有限元分析评估了稻草废弃物复合材料的熱传递和熱應力性能。
作者贡献声明
高拉夫·班萨尔（Gaurav Bansal）：调查、正式分析、数据整理。苏克米特·辛格（Sukhmeet Singh）：验证、软件操作。迪帕克·贾恩（Deepak Jain）：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理。拉文德·辛格·乔希（Ravinder Singh Joshi）：撰写 – 审稿与编辑、方法论研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢印度政府科技部（DST）在其农业废弃物管理计划（参考编号DST/TDT/WMT/AgWaste/2021/10(G)）下的财政支持。作者还感谢孟买的La Fondation Dassault Systemes提供的3D FEA软件Simulia ABAQUS，该软件的授权编号为IN-2023-2-38。
