SiO2气凝胶保温隔热材料在建筑节能技术中的应用

SiO2气凝胶保温隔热材料在建筑节能技术中的应用

宋大为

贵州航天乌江机电设备有限责任公司 563000

【摘要】气凝胶是一种由纳米高聚物分子构成的新型多孔网格结构材料。常见的二氧化硅(SiO₂)气凝胶的密度为0.003～0.15g/cm³，90%以上纳米级孔隙率，尺寸小于50nm，其在热学、声学和光学等方面展现出优越的特性。在热学方面，常温下的SiO₂气凝胶的多孔网格结构对固态和气体热传导能起到有效抑制作用，具有高效的隔热性能和极低的热导率，SiO2气凝胶还能在950℃高温下保持良好的多孔网络结构。因此，SiO₂气凝胶是目前公认的最优秀的轻质保温超级隔热材料，在建筑节能、航空航天、医学、化工、冶金等领域具有广阔和极具潜力的应用前景。

【关键词】SiO₂气凝胶；保温隔热材料；建筑节能技术；应用

一、气凝胶节能材料

气凝胶是一类新型纳米材料，具有多孔网络骨架结构，比表面积大，材料内部有超过90%体积的空气，密度极低；气凝胶材料的导热系数极低，气凝胶用作建筑材料，具有轻量化和节能效果好的优势。气凝胶的制备通常需要经历两个阶段:溶胶－凝胶和干燥阶段。

气凝胶节能材料的典型代表是SiO₂气凝胶，也是科学家最早发现的气凝胶种类，首先是由斯坦福大学Kistler教授以硅酸钠为硅源，制备了水凝胶，再对水凝胶进行超临界干燥法制得的，最初的SiO2气凝胶机械强度很差，且制造成本高，仅应用在实验室研究中，无法用于工业生产，并且研究技术难度大，因此在最初的三十多年里都无太大的发展。直到20世纪80年代末，气凝胶才有初步的工业应用，主要应用于卫星探测器、太空飞船和宇航服等尖端科技领域；直到进入21世纪，尤其是近几年，气凝胶材料才有应用于节能建筑领域中的案例。例如，瑞典airglass公司推出的SiO₂气凝胶玻璃，用作建筑门窗，可大大降低供暖和制冷能耗。除了国外的研究之外，我国学者也将气凝胶用于建筑领域中，并取得了一定进展：同济大学沈军教授等研究开发了气凝胶保温板、保温毡等，已在建筑管道、墙体等方面应用，节能效果为传统材料的5倍，并且机械强度、抗震、安全环保、防火性能都优于传统材料。

二、在建筑节能保温隔热中的应用

（一）SiO₂气凝胶玻璃

SiO₂气凝胶是一种同时具备两种特性(低导热系数和高光透过性)的材料，尤其是具备高光透过率，因而它可以被用到建筑玻璃上，既可以减少室外的热量向室内扩散，也可以阻止室内的热量向室外传递，起到保温隔热的作用，同时还太不影响室内采光。目前的研究表明，SiO₂气凝胶应用到玻璃中主要有两种方式：一是做到两层玻璃的夹层中，二是在普通玻璃外面镀膜。这种玻璃目前国外研究者研究较多，而国内则鲜有报道。起初，国外专家将密度150kg/m3、厚度18mm的单片硅气凝胶夹在两块4mm后的玻璃中间，制成1m×1m的窗户，最终测得制成的玻璃中间和整体传热系数分别为0．52、0．57W/(m2·K)。进而在此基础上改进，采用真空夹板的形式，将气凝胶先制成平板，再夹到两块玻璃中间，制成厚度15mm、面积55cm×55cm的玻璃，并将中间抽真空；同时也对密封圈做了改进。后来，将SiO2气凝胶颗粒填充到玻璃中，得到气凝胶玻璃的透光率为88%，传热系数为0．4W/(m2·K)，极大提高了其性能。但实际应用时气凝胶的使用量较大，成本较高。后来有国外专家通过常压干燥法在玻璃表面增加一层SiO₂气凝胶薄膜，在涂膜厚度为100μm时，玻璃的透光率超过90%，导热系数为0．016W/(m2·K)。镀膜玻璃能够较大程度地降低玻璃的导热系数，但其与空气直接接触，长时间暴露在太阳光下，有可能会造成涂膜损坏，保温隔热能力降低，但镀膜玻璃相对夹层玻璃成本较低。

（二）SiO₂气凝胶隔热涂料

SiO₂气凝胶粉体还可作为填料加入到涂料中，制成SiO₂气凝胶隔热涂料，在建筑中起到保温隔热的作用。以SiO₂气凝胶为功能填料制备隔热涂料，当SiO₂气凝胶占涂料总质量的1%时，测得玻璃板上下温差约9℃，此时隔热效果最好。在此基础上，以丙烯酸树脂为成膜物，先对SiO₂气凝胶进行改性并制备浆料，再配以助剂制成透明隔热涂料涂装在玻璃上，结果表明：在涂膜厚度为20μm时，涂膜上下温差最大可达14℃，使其隔热效果得到进一步提升。将SiO₂气凝胶隔热涂料应用到墙体上，从热量衰减系数、能耗指标、热舒适度方面，以模型仿真和实际测量结果为依据。因此，在持续加热情况下，将涂料涂装在中间墙和外墙上时能耗最低；在间歇加热和没有暖气的情况下，将涂料涂装在内墙上舒适度最佳；SiO₂气凝胶隔热涂料的保温隔热性能要比其他的材料效果好。

（三）SiO₂气凝胶纤维复合材料

SiO₂气凝胶虽然具有超高的绝热性能，但它自身也存在强度低、易碎的缺点，导致使用范围受限。所以，SiO

₂气凝胶在研究和应用中一般采用纤维作为增强材料与其复合制成纤维复合材料，进一步提高其机械强度和使用性能，目前来说主要采用以下两种方式：一是在溶胶-凝胶制备SiO₂气凝胶的过程中将纤维直接添加制成纤维复合材料；二是将制备好的SiO₂气凝胶与纤维物理混合制成复合材料。前一种方法由于能够较为均匀地使得SiO₂气凝胶与纤维混合，所以使用较多。

（四）SiO₂气凝胶混凝土和砂浆

目前，将SiO2气凝胶应用到混凝土和砂浆中还处在研究阶段，可能是源于SiO₂气凝胶价格高的原因，该方面的研究报道也比较少。将SiO₂气凝胶粉末加入到水泥浆中发现，当SiO₂气凝胶粉末的质量占总质量的2．0%时，其导热系数下降75%。有国外专家将SiO₂气凝胶颗粒添加到混凝土中，主要研究了掺杂量对气凝胶混凝土的密度、力学性能和导热系数的影响，并总结得出了此三者的关系。郭金涛以气凝胶和玻化微珠两种材料为保温骨料，将此二者混合制备出新型保温砂浆。这些研究都为SiO₂气凝胶在此方面的应用提供很好的借鉴，为下一步应用的奠定基础。

三、结语

气凝胶材料由于特殊的微观结构，赋予了其独特的物理化学性能，尤其是极低的导热系数，使其在建筑行业中有着极大的应用前景。气凝胶玻璃既能保证传统玻璃的良好外观，又能赋予传统玻璃不具有的节能保温效果；对于保温板和保温毡，在传统的保温板和保温毡中加入颗粒状的气凝胶，赋予了气凝胶一定的机械强度，使其能够大面积地应用在建筑外墙中；气凝胶还可加入砂浆和混凝土中，可从建筑物的根本骨架结构上改善其节能保温效果。对纯气凝胶进行有机或无机复合改性，可提高复合材料的综合性能，收获更高的经济和社会价值。

【参考文献】

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