气凝胶材料在节能建筑中的应用

关键词：气凝胶；导热系数；节能气凝胶

作为一种新型纳米材料，具有多孔网络骨架结构，孔洞率在80%以上，是世界最轻的固体，具有较好的保温隔热性能和防火性能，见图1。按组成成分可将其分为有机气凝胶（导电高分子气凝胶、酚醛树脂气凝胶等）、无机气凝胶（SiO2气凝胶）和炭气凝胶（碳纳米管气凝胶、石墨烯气凝胶等）3大类。美国斯坦福大学Kistler教授于1931年以硅酸钠为硅源制备水凝胶，采用超临界干燥方法制备出了SiO2气凝胶[1]，但当时制备出的SiO2气凝胶制造成本昂贵，且机械强度差，仅能用于科学研究中，无图3气凝胶毡图2气凝胶玻璃法进行工业生产，发展速度较慢[2]。到20世纪80年代末，气凝胶主要应用于航空航天、石油炼化开采、军工等尖端高科技领域。进入21世纪以来，尤其是近十年，气凝胶材料因其优异的防火、隔热性能开始应用于建筑节能领域。目前，建筑行业对气凝胶的应用形式主要有SiO2气凝胶玻璃、SiO2气凝胶保温板、SiO2气凝胶纤维复合材料等。中南大学研制了新型超级节能气凝胶玻璃，用作建筑门窗，可大幅度降低建筑供暖及制冷能耗。同济大学研发出了气凝胶保温板/毡，当该材料用于建筑外墙、管道等保温隔热时，其保温效果为传统保温材料的4倍~6倍，并且防火性能、机械强度等方面都好于传统保温材料[3]。

单一的气凝胶存在机械强度低的缺陷，为了取得更好的机械性能，可采用纤维增强进行改进[4]。高文杰等[5]采用聚酰亚胺纤维增强SiO2气凝胶，制备出低密度、高比表面积的气凝胶，具有优异的保温隔热性能、压缩性能及热稳定性。当聚酰亚胺纤维含量为3%时，气凝胶的密度为0.13g/cm3，比表面积高达997m2/g，常温下导热系数为0.0291W/（m•K），抗压强度为0.21MPa。董志军等[6]制备出莫来石纤维增强的SiO2气凝胶，该产品大大增强了气凝胶的机械强度。由此可见，对气凝胶材料进行增强复合处理研究，可以一定程度上弥补气凝胶材料的缺陷，得到性能优良的气凝胶节能材料。

气凝胶具有密度低、保温隔热性能好，同时兼具防火、隔音、透明度高、耐腐蚀老化等优点，近些年在建筑节能领域中有一定的应用，主要形式有气凝胶板/毡、气凝胶玻璃、气凝胶真空绝热板、气凝胶混凝土和砂浆、气凝胶混凝土复合墙体材料等。2.1气凝胶玻璃。气凝胶玻璃是通过中空玻璃、真空玻璃、夹层玻璃等来降低玻璃的传热系数，且具有降噪效果，见图2。郑思倩[7]利用Matlab软件模拟了气凝胶玻璃的节能性，结果表明在夏热冬冷地区，夏季气凝胶玻璃有效阻隔了太阳的热辐射，降低热量损失约20%，冬季气凝胶玻璃阻隔了室内温暖空气的热量损失约40%，节能效果显著。王珊[8]以正硅酸乙酯为原料，通过缩聚反应制备出SiO2气凝胶，将其填充到不同空腔厚度的中空玻璃中。研究表明，粒径较小的气凝胶颗粒，增大了填充密实度，降低了颗粒之间的空气含量，有效降低热量的传递效率。当平均粒径为0.41mm时，填充密度为1.022g/cm3，平均粒径为0.93mm时，填充密度为0.979g/cm3，导热系数为0.26W/（m•K）。通过对该气凝胶玻璃进行能耗模拟计算，年耗能量相比传统中空玻璃可降低约10%。2.2气凝胶保温毡。/板气凝胶材料由于其强度低、脆性大，限制了其使用范围。气凝胶保温板/毡是将气凝胶与有机聚合物、纤维增强材料等进行复合，制备得到的刚性/柔性保温材料，见图3。陈雁涛[9]采用聚偏氟乙烯（PVDF）制得微米颗粒、微纳米纤维和微米颗粒/微纳米纤维作为气凝胶的增强剂，制备出不同结构的增强气凝胶复合材料，即气凝胶柔性保温毡。使用导热系数测定仪测得微纳米纤维/气凝胶复合材料的导热系数更低，这主要是因为PVDF纤维之间互相搭接，形成弯曲复杂的狭窄通道，阻隔了热量的传递，加入更少量的纤维即可得到具有较好机械性能的气凝胶毡，用作建筑外墙保温材料，可实现较好的建筑节能效果。赵诚斌[10]采用悬浮聚合的生产工艺，将SiO2气凝胶颗粒加入聚苯乙烯颗粒的成型过程中，制得气凝胶改性的聚苯乙烯保温板（EPS板）。测试结果显示，随着气凝胶加入量的增加，导热系数呈下降趋势，当气凝胶加入量为1.6%～2.0%时，导热系数由纯聚苯乙烯板的0.043W/（m•K）降为0.0248W/（m•K），SiO2气凝胶分布于聚苯乙烯泡的孔壁上，有效阻隔了热量的传递，同时其燃烧性能得到了改善，提高了保温板的燃烧性能等级。2.3气凝胶真空绝热板。气凝胶真空绝热板是采用纳米孔超级绝热材料（纳米气凝胶、纳米气相SiO2）作为芯材，加入吸气剂，采用膜材包裹而成。芯材的作用是为了保证绝热板的强度，膜材是为了保证其内部的真空度，吸气剂是为了吸除真空封装时混入的气体以及长期使用渗入的气体[11]。气凝胶真空绝热板之所以具有优异的保温隔热性能，是由于其在真空绝热的基础上采用低导热系数芯材以降低固体热传导，同时用干燥剂和吸气剂吸附芯材中的气体和水汽来降低气体的热传导，高性能膜材也可起到降低热辐射作用，进而完成高效保温节能的要求。与传统保温材料（EPS板、岩棉等）相比，达到相同传热系数情况下，其厚度仅为传统保温材料厚度的1/4～1/6。2.4气凝胶砂浆和混凝土。传统的砂浆和混凝土密度大、导热系数较大，很难满足高标准节能建筑保温要求。将超低导热系数的气凝胶材料加入传统的砂浆和混凝土中，可很大程度上弥补传统砂浆和混凝土导热系数较大的缺陷。彭罗文等[12]针对SiO2气凝胶和玻化微珠的添加顺序对保温砂浆性能的影响进行了研究。研究结果显示，先将SiO2气凝胶与浆料混合均匀后再加入玻化微珠制得的保温砂浆干密度为238kg/m3，导热系数为0.071W/（m•K），这主要是受SiO2气凝胶和玻化微珠对保温砂浆的稠度影响。李朋威等[13]以超级隔热气凝胶为填料，使用预制泡沫混合法制备了新型气凝胶泡沫混凝土，并对其物理性能和导热系数进行了测试。测试结果表明，气凝胶泡沫混凝土的密度和导热系数明显降低，在相同密度等级下抗压强度高于普通泡沫混凝土。当气凝胶添加量为13.0kg/m3，泡沫加入量为70vol%时，气凝胶泡沫混凝土的密度为270.2kg/m3、导热系数为0.069W/（m•K）。付平等[14]对气凝胶含量对泡沫混凝土孔径的影响进行了研究。研究结果表明，随着气凝胶体积含量增大，泡沫混凝土内＜100μm的小孔含量减少，而＞300μm的中孔和大孔含量增加，当气凝胶体积含量为20%时，小孔的气孔百分比从72.5%降至61.8%，中孔和大孔的气孔百分比从3.4%升至9.8%，虽然平均孔径增加，但孔隙率却逐渐降低。2.5气凝胶混凝土复合墙体材料气凝胶混凝土复合墙体是以经气凝胶填充改性的轻质骨料作为骨料制备的轻质保温墙体材料。王亮等[15]将气凝胶填充至膨胀珍珠岩内部，制备一种新型保温材料———气凝胶膨胀珍珠岩，并将其作为轻骨料，通过试验分析对配合比进行优化，制得导热系数低至0.062W/（m•K），抗压强度为4.39MPa的隔墙板。

气凝胶材料因其独特的多孔网络骨架结构，拥有优异的防火性能和保温隔热性能，但由于其力学性能较差限制了气凝胶的适用范围。对气凝胶材料进行复合改性研究，可提高材料的综合性能，取得更好的经济和社会价值。随着我国对建筑节能标准的逐步提高，对气凝胶材料的研究和应用也在不断深入，研发以气凝胶为原料的复合材料将成为今后建筑节能的重要发展方向。