氣凝膠材料在建筑節(jié)能的應用

氣凝膠材料在建筑節(jié)能的應用近年來，市場上所用的模塑（石墨）聚苯乙烯泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等有機類保溫材料導熱系數(shù)較低，但燃燒性能達不到A級要求，燃燒時易釋放大量有害物質，消防隱患很大。雖然所用的巖棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等無機類保溫材料燃燒性能達到A級，但密度又偏大，導熱系數(shù)偏高，這都導致兩類建筑保溫材料在實際應用中的局限性。氣凝膠材料，被稱為“最輕的固體材料”，是一種無機材料，具有A級不燃的特性，同時其導熱系數(shù)較低，因而成為國際關注的新型隔熱材料，又被稱為“超級隔熱保溫材料”。本文通過探析低成本制備的氣凝膠材料在建筑外墻保溫系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)高效節(jié)能與防火兼?zhèn)?，提升建筑?jié)能水平，推動建材行業(yè)循環(huán)、綠色、低碳進展。

1氣凝膠材料的進展現(xiàn)狀

氣凝膠是美國StevenS.Kistler在1931年創(chuàng)造的一種材料，他以硅酸鈉為硅源，鹽酸為催化劑，制備了水凝膠，通過溶劑置換和乙醇超臨界干燥，首次制備了SiO2氣凝膠。在此后的幾年時間里，Kistler詳盡地表征了SiO2氣凝膠的特性，并制備了很多有討論價值的其它氣凝膠材料，包括Al2O3、WO3等氣凝膠材料。然而早期氣凝膠特別易碎和昂貴，主要在試驗室內使用，因此，在隨后的30多年中，氣凝膠的討論始終沒有明顯進展。直到20世紀70年月末，經(jīng)過法國科學家Teichner以及美國勞倫茲伯克利國家試驗室的ArlonHunt等人的不懈努力，才獲得了極大的進展。利用正硅酸甲酯（TMOS）代替硅酸鈉，在甲醇溶液中通過TMOS水解一步產(chǎn)生凝膠（稱為“醇凝膠”），再在超臨界甲醇條件下進行干燥而成。

20世紀80年月后期，由LarryHrubesh領導的LLNL試驗室討論人員制備出世界上密度最小的氣凝膠（并且是密度最小的固體材料），氣凝膠的密度為0.003g/cm3，僅為空氣密度的三倍。其間氣凝膠的制備及其表征有了較大的進步。而在氣凝膠的應用方面，最早于1974年用于切倫科夫探測器，1982年二氧化硅氣凝膠用于太陽能集熱器的掩蓋層，1983年作為隔熱層用于雙面窗等，這些使得人們開頭對二氧化硅氣凝膠產(chǎn)生了愛好。1993年氣凝膠被應用到宇航服、太空飛船、航天飛機等（圖1）國內的氣凝膠進展較晚，直到20世紀90年月才被國內一些專家關注，隨后開展了大量的基礎討論工作。同濟高校沈軍等用硅溶膠常壓制備出氣凝膠，為氣凝膠的常壓低成本制作供應了試驗基礎。從2023年開頭，氣凝膠的討論在國內企業(yè)中綻開，消失了許多復合氣凝膠，為實現(xiàn)氣凝膠的多領域應用打下了堅實的基礎。

縱觀國內外SiO2氣凝膠的技術進展可以發(fā)覺，通過先進的技術工藝和設備可以制得密度在200kg/m3左右、導熱系數(shù)在0.02W/（m?K）左右的純SiO2氣凝膠，然而這類SiO2氣凝膠產(chǎn)品的制備仍舊存在成本昂貴、工藝簡單、強度較低等缺陷，限制了其在建筑保溫材料的應用。目前，天津市建筑材料科學討論院聯(lián)合天津工業(yè)高校針對SiO2氣凝膠制備過程中存在的問題，組織研發(fā)團隊專項討論、技術攻關，分別利用正硅酸乙酯和工業(yè)水玻璃作為硅源，采納溶膠-凝膠法及常壓干燥工藝低成本勝利制備了SiO2氣凝膠，且通過工藝優(yōu)化，制備周期由原先的7d縮短為4d。低成本快速制備的SiO2氣凝膠密度為68kg/m3、孔隙率96.8%，導熱系數(shù)為0.0150W/（m?K），比表面積865.115m2g，平均孔徑10.718nm，同時該SiO2氣凝膠材料具備更加優(yōu)良的疏水性能（制備材料見圖2，性能指標見表1）。實現(xiàn)了制備工藝的簡潔化、安全化和低成本化，為其能夠大規(guī)模生產(chǎn)、盡快實現(xiàn)實際應用奠定了堅實的基礎。

2氣凝膠材料的進展優(yōu)勢

目前的民用保溫材料主要分為兩大類：第一，純有機類保溫材料，如擠塑聚苯板、聚氨酯泡沫等。這類材料是最傳統(tǒng)的保溫材料，導熱系數(shù)低、保溫效果好、比重較輕，防水性和耐候性好，廣泛應用于建筑外墻外保溫等領域。但是這類材料有著致命的缺陷——有機材料易燃，燃燒時易釋放大量有害物質，消防隱患很大。尤其是應用于高層建筑外墻領域的保溫板，一旦發(fā)生火災，將造成極其巨大的生命財產(chǎn)損失。在上海高層大火和央視大樓消失火災后，公安部、住房和城鄉(xiāng)建設部要求保溫材料防火性能必需達到A級，這對我國的建筑節(jié)能市場將會是一個不小的沖擊，因此傳統(tǒng)意義上的純有機類保溫材料正面臨著嚴峻的考驗。

其次，傳統(tǒng)無機類保溫材料，如膨脹珍寶巖、泡沫玻璃、巖棉板、泡沫混凝土等。這類材料的防火性能優(yōu)異，在高溫下不燃燒不分解，但保溫效果不及傳統(tǒng)有機材料，其導熱系數(shù)多維持在0.04W/（m?K）以上，同時，這些材料還有著其他的缺陷，如：膨脹珍寶巖防水效果差，易吸水，水具有巨大的比熱容會產(chǎn)生嚴峻的熱損失；發(fā)泡水泥不僅導熱系數(shù)高，而且強度較一般水泥差許多，不易于實現(xiàn)大規(guī)模應用；巖棉纖維氈難以制成有強度的保溫板，只能以氈子的形式應用于供暖管道等部分領域，其材料本身的外形成為其廣泛應用的瓶頸。這些都嚴峻限制了傳統(tǒng)無機保溫材料。

因此，要實現(xiàn)建筑墻體材料節(jié)能與防火兼?zhèn)?，討論并推廣高效節(jié)能、輕質環(huán)保的高性能綠色保溫建筑材料成為當務之急。被稱為“最輕的固體材料”的氣凝膠，因其優(yōu)異的絕熱性能成為國際關注的新型隔熱材料。硅氣凝膠是一種由二氧化硅膠體粒子通過相互橋聯(lián)構成的具有三維空間網(wǎng)絡結構的納米多孔非晶固體材料，能有效抑制氣體對流傳熱和降低固態(tài)熱傳導，具有極低的熱導率，是目前已知熱導率最低的固體材料。其密度在3mg/cm3~500mg/cm3之間可調，是世界上密度最低的一種固體材料，孔隙率可達80%~99.8%，孔徑尺寸在1nm~100nm之間，比表面積高達1000m2/g。同時，它又是無機材料，具有不燃或阻燃作用。另外，二氧化硅氣凝膠還具有綠色環(huán)保無公害、疏水、耐腐蝕、耐久性好等特點，這些與其他傳統(tǒng)材料相比具有很大的優(yōu)勢，氣凝膠可廣泛用于絕熱材料、吸附劑、干燥介質、催化劑載體、光引導器、宇宙塵埃搜集器、集成電路的絕緣體和建筑節(jié)能領域等。氣凝膠材料與其他保溫性能比較見表2。

3氣凝膠材料的進展前景

能源短缺是世界上全部國家面臨的共同難題，解決能源短缺最有效的途徑是節(jié)能，而節(jié)能的主要措施之一就是進展和應用隔熱材料。由于建筑耗能在人類整個能源消耗中占30%～40%，全世界每年排放11億噸CO2中超過30%來自住宅取暖，所以建筑節(jié)能意義重大。建筑物使用保溫隔熱材料是節(jié)省能源、提高建筑居住和使用功能的一個重要措施。在建筑中，外圍護結構的熱損耗較大，而外圍護結構中墻體又占了很大份額。對于保溫隔熱材料的選擇必需要遵守幾點要求：

（1）保溫隔熱性要好；（2）防火、防水及耐高溫性要強；（3）要有肯定的機械強度。同時建筑的一些關鍵的部位與環(huán)境，由于簡單受到環(huán)境與空間的影響，對隔熱保溫材料的要求更加苛刻。氣凝膠材料的低成本大規(guī)模生產(chǎn)，進一步利用制成氣凝膠氈、氣凝膠板、氣凝膠玻璃、氣凝膠涂料等，可以作為絕熱材料、隔聲材料、吸附劑、干燥介質、催化劑載體等進行應用。其中，氣凝膠氈、板可以用于建筑保溫、管道及設備保溫等，深化開發(fā)這些保溫材料可以進一步豐富市場中保溫材料的種類，具有更加多樣的應用范圍，具有很好的市場前景。高熱阻、阻燃的氣凝膠材料豐富了保溫隔熱材料市場，提高建筑的保溫性能和節(jié)能特性，避開了能源資源的鋪張，氣凝膠的阻燃特性也提高了住戶的安全保障。輕質保溫的氣凝膠材料制品將突破目前建筑保溫材料自身進展的瓶頸，有效推動住宅產(chǎn)業(yè)化、建筑節(jié)能及其評價等產(chǎn)業(yè)的進展