氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用

时间：2021-03-09 11:06:46 所属分类：建筑科学 浏览量: 128

建筑业作为全球经济活动的重要引擎，占能源相关的二氧化碳排放总量的 39%以及最终能源消耗量的 36%。为实现可持续发展目标，建筑业需扭转能源和碳排放持续增长趋势，以每年 3%速度实现降低建筑物碳排放量。在此背景下，新型高性能保温隔热材料与围护结构的研

　　建筑业作为全球经济活动的重要引擎，占能源相关的二氧化碳排放总量的 39%以及最终能源消耗量的 36%。为实现可持续发展目标，建筑业需扭转能源和碳排放持续增长趋势，以每年 3%速度实现降低建筑物碳排放量。在此背景下，新型高性能保温隔热材料与围护结构的研发与应用对于我国建筑节能、降低建筑碳排放具有重要支撑。目前建筑中常用的有机绝热材料如聚苯乙烯泡沫(EPS)、挤塑聚苯乙烯板(XPS)和玻璃棉(GF)等具有轻质、易成型、隔热性能好的特点，但存在消防安全隐患、疏水性差、耐久性差等问题[1-4];常用无机绝热材料如玻璃纤维、矿物棉、膨胀珍珠岩等虽耐火性较好、安全性高，但其吸湿性强、蒸汽渗透率高[5-8]，影响其工程应用。

　　氧化硅气凝胶作为一种纳米孔多功能无机固体材料，具有超低导热系数、耐火不燃、疏水、轻质等特点[9-11]，在航天航空、工业、交通等领域得到应用[12-15]，但氧化硅气凝胶其本身力学性能差，而且相对普通保温隔热材料价格较高，限制了氧化硅气凝胶的进一步发展尤其是在建筑领域的应用 [16-19]。因此，降低气凝胶制备成本，改善气凝胶力学性能以推动其在建筑节能领域的应用成为国内外研究热点。近年来，随着氧化硅气凝胶制备技术发展及成本降低，开始在建筑节能减碳领域进行示范应用[20-22]。本文综述氧化硅气凝胶绝热材料的制备技术研究进展，介绍氧化硅气凝胶在泡沫混凝土、胶毡和板材以及建筑玻璃等方面的研究进展。

　　1 氧化硅气凝胶绝热材料的制备与性能

　　气凝胶是一种由胶体粒子或高聚分子相互交联构成的具有三维纳米网络结构的多孔材料。按其组分的不同，常见的类型有氧化硅气凝胶、碳气凝胶、粘土气凝胶。氧化硅气凝胶是较为常见、应用较广的一种类型，其孔洞率达 80%~99.8%;密度低至 0.003 g/cm 3 ;室温下其导热系数在 0.015 W/(m·K)左右，小于无对流空气，为普通绝热材料的 1/3~1/2，是目前导热系数最小的固体超级绝热材料。

　　1.1 气凝胶材料制备技术早在 1931 年，美国斯坦福大学 Kistler 即以水玻璃(硅酸钠)为硅源首次制成了氧化硅气凝胶，至二十世纪七十年代，法国 Stanislaus Teichner 用 TMOS 取代水玻璃制备出氧化硅气凝胶，而后 Arlon Hunt(Berkeley)用 TEOS 取代 TMOS 于 1983 年制备出氧化硅气凝胶。二十世纪九十年代至二十一世纪初，气凝胶因具有超级绝热、耐火性高、耐候性好和良好的光学、声学性能等特点，在建筑节能领域的应用前景逐渐显现，有关氧化硅气凝胶的研究飞速发展。前文所述制备工艺涉及的溶剂置换和超临界干燥技术，成本高、过程冗长且方式繁琐，是限制其工业化应用的重要因素，如何解决该问题并推动其大规模实际生产、应用也是该领域的研究热点。

　　近年来，低成本、快速制备的常压制备技术[21]得以研发，不仅替代了高成本、高危险性的超临界干燥工艺，具有表面预改性的同时可以和纤维整体复合成型，极大地改进了其性能，促进了其在建筑节能领域的应用，推动了其产业化生产。氧化硅气凝胶低成本常压干燥制备技术制备流程如图 1 所示。

　　1.2 气凝胶材料性能氧化硅气凝胶本身具有较大孔隙率和红外透过率，脆性大、强度低，为促进其在建筑节能领域的应用，常在制备过程中加入一定的组分如纤维、遮光剂等，改善其在力学、光学、高温隔热等方面的性能。

　　气凝胶基体制备过程中加入一定量的增强纤维以制备纤维/氧化硅气凝胶复合材料是目前改进其综合性能较为行之有效的方法，常用的增强纤维类型有束状纤维、预制件纤维、纳米纤维等[22]。通过该方法制备的气凝胶绝热材料，其导热系数可低于 0.015 W/(m·K)、密度低于 215 kg/m3、体积吸水率低于 1%、压缩强度大于 120 kPa;具备 A 级燃烧等级(不燃)，其耐热温度可高达 800 ℃;且疏水角大于 115°，属憎水性材料，在潮湿环境下仍能维持良好的隔热性能。 通过加入纤维、遮光剂组成的纤维/遮光剂/气凝胶三元体系，则不仅改善了其力学性能，更提高了其辐射隔热性能。Yang [23]等采用溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备了三元遮光剂/纤维/气凝胶复合材料，研究发现三元复合材料的耦合热导率是总热导率的正增量，且在掺量一定时耦合热导率最大;在气凝胶含量不变的情况下，增加遮光剂与纤维的含量差异是降低耦合导热系数的有效途径。

　　2 氧化硅气凝胶绝热材料的建筑应用

　　2.1 超轻气凝胶泡沫混凝土泡沫混凝土相较于普通混凝土因具有自重轻(325~600 kg/m3)、隔热耐火、导热系数低(0.07~0.16 W/(m·K)、隔音和抗冻等特点，在建筑围护、保温领域应用广泛[24-25]。为了制得高性能泡沫混凝土，在制备过程中常掺入不同性能的掺合料(如粉煤灰、矿渣、硅粉、陶瓷颗粒、石墨、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维等)[26-28]，但各种外加料的掺入在提高泡沫混凝土某一方面的性能时，会降低其他性能，制作过程难成型、强度与保温互为矛盾等仍是泡沫混凝土存在的较大问题。以气凝胶为填充材料制备的新型高性能气凝胶泡沫混凝土则可进一步有效降低混凝土的干密度和导热系数，具有更好的保温隔热性能[29]。Liu 等[30]采用溶胶-凝胶法、真空浸渍法和快速超临界干燥法合成了超轻气凝胶泡沫混凝土，所制得的复合材料具有较高的气凝胶填充度(占基体体积的 74%)，且气凝胶组分仍保持多孔纳米结构，气凝胶的引入对基体材料的力学强度影响不大但保温性能有较大提高，其导热系数低至 0.049 W/(m·K)，相较于传统泡沫混凝土降低了 48.4%。与传统泡沫混凝土相比，气凝胶泡沫混凝土成型与强度明显提升(图 2)，促进泡沫混凝土在建筑领域应用。

　　2.2 超高性能气凝胶绝热板在建筑围护结构方面，气凝胶绝热板(AIP)亦得到了一定发展，其是将纯气凝胶和纤维以及其他掺料等复合而成[15]，常见的有纤维毡/气凝胶复合板[32]、三元遮光剂/纤维/气凝胶复合板[33]等。通过与传统保温隔热材料(聚苯乙烯泡沫、玻璃纤维毡)的试验对比发现，气凝胶绝热板的温度波延迟时间可比传统保温隔热材料提高 1 倍，衰减倍数可增大 40%，其热工性能明显优于传统保温隔热材料[34]。

　　2.3 超低传热系数气凝胶节能玻璃中空玻璃是由两层或两层以上的平板玻璃为原片，在原片与铝合金框和橡胶条四周用高强气密性胶黏剂将其密封，中间掺入干燥剂和干燥气体制成。因具有优良的隔热、隔声和防结露性能，在建筑围护结构中可代替部分围护墙。将气凝胶作为填充物料制成新型气凝胶玻璃，除具有上述中空玻璃的优良特点外，还能够有效降低太阳辐射透过率和传热系数，作为高性能建筑玻璃能显著降低建筑能耗[36-38]。

　　3 结论

　　建筑能耗占全球总能耗较大且持续增长，中国二氧化碳排放力争 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现“碳中和”，其中建筑行业减碳至关重要，对新型建筑保温隔热材料与技术的需求更加迫切。氧化硅气凝胶具有高孔隙率、低热导率、高温不燃、轻质、耐候性好及良好的光学和隔声性能，在建筑围护结构中具有巨大的应用潜力，是未来建筑节能领域中理想的新型建筑材料。近年来，国内外学者均进行了重点研发，在材料的制备与改性、建筑节能应用等方面取得了一定进展。

　　新型常压制备技术在传统溶胶-凝胶法的基础上对生产工艺进行改进，替代高成本、高危险性的超临界干燥工艺的同时，还具有表面预改性，可以和纤维整体复合成型，并可加入遮光剂组成纤维/ 遮光剂/气凝胶三元体系，综合改进气凝胶制品的力学、光学、热工性能、疏水性以及使用寿命，为其在建筑节能领域的应用奠定了基础。通过与其他建筑材料复合、优势互补，氧化硅气凝胶绝热材料在建筑节能应用方面(如非承重墙、胶毡和板材、建筑玻璃)表现出广泛的发展应用潜力。

　　随着建筑节能领域的发展，对氧化硅气凝胶绝热材料的性能提出了更多功能性要求，对氧化硅气凝胶材料还需开展更系统的基础研究以及工程应用技术研发，推动建筑减碳与可持续发展。

　　参考文献

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　　《氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用》来源：《无机盐工业》，作者：张广鹏 1，吴会军 1,2,*，刘彦辰 1,2，杨丽修 1,2

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