Multischaal thermisch en mechanisch modelleren van isolatiecomposieten

Thermische isolatiematerialen krijgen veel aandacht, vooral op dit moment, vanwege de milieuproblematiek zoals de opwarming van de aarde waarmee we worden geconfronteerd. De laatste klimaatrapporten bewijzen onder andere dat het warmteverlies in gebouwen en industriële processen te hoog is en dat dit overtollige warmteverlies tot een minimum beperkt moet worden. Bijgevolg is het voor de internationale bouwsector een belangrijke taak geworden om de prestaties van de huidige isolatiematerialen voldoende te verbeteren. De performantie van de huidige isolatiematerialen in huishoudelijke en industriële toepassingen is dus niet langer bevredigend zeker in gevallen waar de beschikbare ruimte gering is. De zoektocht naar nieuwe soorten isolatiematerialen is daarom in een opmars bezig. De huidig en veelvuldig gebruikte bouw- en afwerkingsmaterialen zoals beton en gips hebben een te hoge thermische geleidbaarheid en wordt in veel studies gezien als een grote tekortkoming. Deze doctoraatsstudie, die liep in samenwerking met de industriële partner Promat International NV, onderzoekt de isolatieprestaties van twee veelbelovende isolatiecomposieten: silica aerogel gemodificeerde gipsplaten en silica aerogel gevulde glasvezelmatten. De verschillende tools om de voorspelling en optimalisatie van de thermische en mechanische eigenschappen van de genoemde materialen te bepalen en te ondersteunen, worden verduidelijkt. De intrinsieke materiaalstructuur van silica aerogel, het belangrijkste materiaal in dit onderzoek en de optredende thermische fenomenen die tot zijn lage thermische geleidbaarheid leiden, worden onderzocht. De geleidbaarheid wordt voorspeld door middel van de eindige elementen methode die ondersteunt wordt door een adequaat gekozen eenheidscel en analytische berekeningen. De resultaten worden vergeleken met experimentele metingen uit de literatuur. Op basis van de simulatieresultaten worden nieuwe inzichten verkregen in de toepasbaarheid van de voorgestelde eenheidscellen om de thermische geleidbaarheid van silica aerogel te modelleren. Ten tweede, worden de experimentele metingen gecombineerd met numerieke modelleringstechnieken op verschillende lengteschalen om de optimale silica aerogel verdelingen in een gipsmatrix te voorspellen. Omdat de eigenschappen van silica aerogel voornamelijk worden veroorzaakt door fenomenen op nanoschaal en de silica aerogel distributie op microschaal is gericht, behandelt dit werk een multischaal vraagstuk. Ten derde, doordat silica aerogel een negatieve invloed heeft op de stijfheid van de structuur waarin het is ingebed, wordt een afschatting gemaakt van de verminderde buigstijfheid van aerogel bevattende gipsmaterialen. Dit wordt bewerkstelligd met behulp van analytische homogeniseringstechnieken gecombineerd met de eindige elementen methode. Er worden nieuwe soorten composietstructuren voorgesteld met silica aerogel om soelaas te brengen aan de geïnduceerde verzwakking van de buigstijfheid. De hogere buigweerstand van structuren zoals sandwichstructuren en asymmetrische composietbalken worden voorspeld met behulp van analytische berekeningen en wordt gevalideerd door numerieke simulaties. Silica aerogel gevulde gipsmaterialen worden meestal gebruikt in toepassingen zoals vloer- of wandbekleding als thermische isolatie. Het gebruik van gips kan echter niet gebruikt worden in industriële toepassingen zoals de isolatie van buizen en vaten. De prominente eis hier is de flexibiliteit van de matrix waaraan wordt voldaan indien een glasvezelmat wordt gebruikt. Het tweede gedeelte van dit onderzoek beschrijft dan ook een samenvatting van de uitgevoerde berekeningen die betrekking hebben tot de thermische geleidbaarheid van silica aerogel gevulde glasvezelmatten. Ten eerste, wordt op basis van eindige elementen simulaties de thermische geleidbaarheid van niet gevulde vezelmatten voorspeld. De resultaten worden gevalideerd door experimentele metingen. Ten tweede, worden de eindige elementen modellen aangepast om te onderzoeken in welke mate de toevoeging van silica aerogel de effectieve thermische geleidbaarheid kan verlagen. Ten derde, door manipulatie van de silica aerogel glasvezelmat tijdens installatie, worden de glasvezels samengedrukt vooral na de fixatie van het materiaal. Deze samendrukking zal de thermische geleidbaarheid verhogen wat nefast is voor het doel van het materiaal. Het onderzoek sluit af met een afschatting van deze toename met behulp van eindige element simulaties. Vanuit een industrieel oogpunt ondersteunen de berekeningen het bedrijf bij het vinden van geoptimaliseerde silica aerogel verdelingen in gips. Op die manier kan er een evenwicht gevonden worden tussen de productiekosten en de thermische isolatieprestaties van het composiet. De verwachte omzet van de silica aerogel gemodificeerde gipsplaten wordt voorgesteld en het economische aspect van dit onderzoek samen met de mogelijk toekomstige marktpositie van de industriële partner, wordt samengevat.