氣凝膠材料在建筑節(jié)能的運(yùn)用

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摘要：氣凝膠材料是當(dāng)前最為新型的一種綠色建材｡在這篇文章中主要是簡單介紹說明了氣凝膠材料的分類，氣凝膠的制備工藝以及其優(yōu)良特性；因?yàn)槠溆泻芏鄡?yōu)異的特性如導(dǎo)熱性低、隔音性能很好、耐火性能高等，所以氣凝膠作為一種新型的綠色建筑節(jié)能材料其在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：氣凝膠;低導(dǎo)熱性;耐火性;建筑節(jié)能

1氣凝膠材料的分類

根據(jù)氣凝膠材料的組成成分將其分為有機(jī)､無機(jī)及炭氣凝膠［8］｡1.1無機(jī)氣凝膠無機(jī)氣凝膠是一種低密度非晶固態(tài)材料，其原料是金屬有機(jī)物，干燥工藝是溶膠-凝膠法與超臨界干燥工藝。單元氧化物氣凝膠是最近研制出來的；同時還有二元或多元氧化物氣凝膠;超細(xì)金屬､陶瓷粉末等｡

1.2有機(jī)氣凝膠

間苯二酚/甲醛有機(jī)氣凝膠是由20世紀(jì)80年代美國人研制［9］，它制備的方法與無機(jī)氣凝膠幾乎相同。目前有機(jī)氣凝膠方面制備的有:間苯二酚-甲醛（RF）､三聚氰胺-甲醛（MF）等｡有機(jī)比無機(jī)氣凝膠紅外吸收能力強(qiáng)，輻射導(dǎo)熱率卻相對較低｡

1.3炭氣凝膠

炭氣凝膠屬于納米炭材料,其特點(diǎn)是多孔､輕質(zhì)、非晶態(tài),生產(chǎn)制備通常是通過熱固性的有機(jī)氣凝膠經(jīng)炭化后得到。常溫下的導(dǎo)電率比其他炭材料高可達(dá)10~25s/cm｡此外,炭氣凝膠也有很好的耐腐蝕性､較高的表面積等優(yōu)點(diǎn)｡

2氣凝膠材料的制備

2.1氣凝膠的制備工藝

氣凝膠的制備方法因?yàn)槠浞N類不同而不同｡

2.1.1無機(jī)氣凝膠的制備方法

無機(jī)氣凝膠的制備是以SiO2氣凝膠的制備為例,通常經(jīng)過兩個化學(xué)反應(yīng):將催化劑加入到硅酸甲酯、水玻璃和正硅酸乙酯中發(fā)生反應(yīng),一部分有機(jī)硅發(fā)生縮聚反應(yīng)｡Si（OR）4+4H2O→Si（OH）4+4HOR（水解）（1）nSi（OH）4→（SiO2）n+2nH2O（縮聚）（2）以上化學(xué)反應(yīng)共同進(jìn)行,最終氣凝膠的狀態(tài)由相對速度決定｡化學(xué)反應(yīng)環(huán)境過酸將抑制縮聚反應(yīng),促進(jìn)水解反應(yīng),從而形成聚合物狀凝膠;當(dāng)過堿環(huán)境是情況則不同,形成的凝膠是顆粒狀的｡而顆粒的大小及分布可以通過pH值和工藝的其他條件來控制［10］｡

2.1.2有機(jī)/炭化氣凝膠的制備方法

本文用間苯二酚—甲醛（RF）氣凝膠為例｡首先，間苯二酚與甲醛發(fā)生加成反應(yīng)形成單/多元羥甲基間苯二酚；單/多元羥甲基間苯二酚發(fā)生縮聚反應(yīng)是羥甲基（-CH2OH）與苯環(huán)上空位反應(yīng),最終形成基元膠體顆粒用亞甲基鍵（-CH2-）和亞甲基醚鍵（-CH2OCH2-）連接；溶解較好的是小基元狀膠體顆粒,RF團(tuán)簇由大的膠體顆粒形成,最終形成RF有機(jī)凝膠｡有機(jī)與無機(jī)作用機(jī)理類似，水解、縮聚反應(yīng)的相對速率以及溶液的酸堿度均對氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交聯(lián)度產(chǎn)生影響。適當(dāng)條件下，熱固性有機(jī)氣凝膠通過高溫?zé)峤?#65380;碳化，最后獲得炭氣凝膠｡

2.2氣凝膠材料的干燥技術(shù)

具有實(shí)用價值的氣凝膠材料的形成是凝膠經(jīng)過干燥后得到的｡下面介紹幾種常見的干燥技術(shù)。

2.2.1超臨界干燥技術(shù)

通過用高溫高壓將介質(zhì)干燥到超臨界狀態(tài)是超臨界干燥技術(shù)的主要原理所在,為了膠凝的性能很好的保持,需要將液/氣界面消除或轉(zhuǎn)化從而可以大幅度避免表面張力［11］｡但是在超臨界干燥技術(shù)的實(shí)施中會應(yīng)用到可燃性的干燥介質(zhì)，因此其操作具有危險性｡目前用CO2替代危險性的干燥介質(zhì)，將干燥的溫度降至30°C左右，是一種新型的低溫超臨界干燥技術(shù)，主要是利用CO2的不燃性，使干燥技術(shù)的危險性大大降低［12］｡

2.2.2非超臨界干燥技術(shù)

常壓干燥､亞臨界干燥與冷凍干燥等是非超臨界干燥技術(shù)｡亞臨界和超臨界干燥技術(shù)相似,需要調(diào)節(jié)干燥過程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)低于臨界點(diǎn)，因技術(shù)不熟所以研究也較少［13］｡升華干燥是冷凍干燥的升級，在低溫下實(shí)現(xiàn)液氣與固氣的轉(zhuǎn)化,在較高真空條件下，通過升華去除溶劑的干燥方法。冷凍干燥需要低溫低壓從而避免表面張力的影響，但其費(fèi)用較高，應(yīng)用范圍窄，破壞制品性能的應(yīng)力是來自于液體向固體轉(zhuǎn)化［14］｡當(dāng)前最為主要的研究是常壓干燥［15,16］｡干燥過程中消除氣液兩界面的表面張力和凝膠孔隙中的毛細(xì)管附加壓力是常壓干燥的重點(diǎn)，可以保持醇凝膠的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)｡溶劑置換､表面改性及強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)骨骼等方法是當(dāng)前實(shí)用有效的方法［8］。

3氣凝膠材料的特性及應(yīng)用

3.1低導(dǎo)熱性與應(yīng)用的介紹

氣凝膠材料在結(jié)構(gòu)方面與其它材料不同,氣孔微小,微觀結(jié)構(gòu)與空隙都是納米級別,因此熱傳導(dǎo)、對流傳熱和輻射傳熱都受限制。因此,氣凝膠材料相比其他材料具有較很低的導(dǎo)熱系數(shù),其值通常為0.01~0.03W/（m•K）,應(yīng)是目前為止所知導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體材料［17］｡氣凝膠材料制作的節(jié)能門窗是目前氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一個方向｡我國門窗洞口處的耗能占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗能的40％~50％,因此門窗的節(jié)能是很重要的｡玻璃的保溫隔熱受兩個因素影響,遮蔽系數(shù)和傳熱系數(shù)［12］｡節(jié)能門窗的制作主要是通過降低傳熱系數(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的｡因此保溫效果極好,25mm厚的納米氣凝膠材料制作的節(jié)能玻璃的傳熱系數(shù)可低至0.57W/（m2•K），傳熱系數(shù)是同厚度雙層玻璃的2/5,保持45%的透光率,總透射率為43%｡國外當(dāng)前將氣凝膠的研究與門窗散熱相結(jié)合，一是對顆粒狀氣凝膠的應(yīng)用，將其制作成新型的透光隔熱玻璃門窗，二是將節(jié)能玻璃的填充層使用整塊的二氧化硅氣凝膠｡俄羅斯公司在2000年研發(fā)的氣凝膠玻璃是其新的應(yīng)用,玻璃外觀與普通玻璃類似,但相比普通玻璃又具有較高的保溫性能,防輻射､耐熱､阻燃的特點(diǎn),還可以吸音［18］｡Reim等［19］研發(fā)了新型的玻璃窗應(yīng)用的是二氧化硅氣凝膠｡Schultz等［20］在雙層玻璃（4mm）中填充二氧化硅氣凝膠（15mm）,制成了非常隔熱的玻璃,同時發(fā)現(xiàn)氣凝膠的厚度大時玻璃的傳熱系數(shù)會變低［21］｡

3.2絕熱隔音性與應(yīng)用的介紹

將氣凝膠材料復(fù)合而成夾芯層,用來制作優(yōu)良的生態(tài)建材,這種優(yōu)質(zhì)建材具有絕熱和隔音性能｡目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)之一就是用氣凝膠生產(chǎn)新型絕熱板材｡波士頓的Cobot公司研制出新產(chǎn)品—Nanogel,是一種兼具多種功能的可循環(huán)材料如可以防潮､防菌等｡Kalwell建材公司以Nanogel為材料設(shè)計了Nanogel夾芯板｡一種透光率為20%、傳熱系數(shù)為0.05W/（m2•K）的氣凝膠板材被美國公司生產(chǎn)制造,采用了納米凝膠,再加輔助材料制得夾芯板［12］。有特殊要求的建筑也可以用氣凝膠板材建造［22］。

3.3耐火性及應(yīng)用的介紹

氣凝膠因其多孔結(jié)構(gòu),所以不然性為A級｡將鋼結(jié)構(gòu)的表面用氣凝膠制作的復(fù)合材料覆蓋,材料承受灼燒時間變長,無有害物質(zhì)產(chǎn)生,但是火勢得到了控制,是很好的耐火材料［23］｡哈爾濱工業(yè)大學(xué)在氣凝膠涂料方向有了新的隔熱､隔音等突破,此項(xiàng)發(fā)明已獲得國家專利［4］｡

3.4保溫性能及其應(yīng)用的介紹

因?yàn)闅饽z材料在保溫性能和防水性能的優(yōu)勢,氣凝膠材料一般應(yīng)用于以下幾方面:（1）墻體保溫材料的替代氣凝膠保溫材料的不燃性好,因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)是0.020W/（m•K）,所以可以取代墻體保溫材料,其系數(shù)保溫砂漿的1/3,巖棉板的1/2,EPS/XPS板的1/2,并用其他材料配合可以發(fā)揮更大的優(yōu)勢［10］｡（2）將氣凝膠顆粒在保溫砂漿中發(fā)揮作用合理粒徑的氣凝膠材料當(dāng)密度也合適時與無機(jī)膠凝材料復(fù)合制備保溫砂漿,導(dǎo)熱系數(shù)為0.04W/（m•K）~0.06W/（m•K）,比其他材料用作保溫砂漿更有優(yōu)勢｡同濟(jì)大學(xué)的倪興元等［24］將氣凝膠材料與砂漿混合,其試驗(yàn)結(jié)表明,在無機(jī)膠凝材料中加氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)將大幅度降低｡（3）保溫裝飾一體化板中氣凝膠的作用節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相同時,氣凝膠材料可代替1/2厚的巖棉板,保溫裝飾一體化板30%~40%的自重會降低。自重低時粘結(jié)層與自身層結(jié)合的負(fù)擔(dān)會降低,提高安全系數(shù)。（4）墻體夾芯保溫中氣凝膠的作用較少的氣凝膠材料就與傳統(tǒng)較厚保溫材料達(dá)到相同效果,就是因?yàn)闅饽z較無機(jī)類保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低。由于墻體夾芯材料厚度的降低,則產(chǎn)生一系列優(yōu)勢如間隙空間減少,增加使用面積,墻體自重減輕,結(jié)構(gòu)安全性提高。

3.5透光性能及應(yīng)用

將氣凝膠透光性與保溫性的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在太陽能集熱器,太陽能利用率將很大的提高［25］｡將氣凝膠材料應(yīng)用于熱水器的儲水箱､集熱器和管道,使太陽能熱水器的集熱效率提升1倍以上，而熱損失只是30%以下［26］。目前,已應(yīng)用的太陽能熱水器保溫材料就是廈門大學(xué)材料學(xué)院研究出納米多孔超輕質(zhì)高效隔熱SiO2氣凝膠材料，高溫不分解與保溫性好是其優(yōu)點(diǎn)｡3.6孔隙率高､表面積大及應(yīng)用孔隙率高､表面積大使氣凝膠材料作為凈化器過的最佳選擇［27］｡因?yàn)闅饽z材料吸收能力較高,所以房屋內(nèi)的空氣凈化,灰塵棉絮的清除與細(xì)菌病毒的防護(hù)都有應(yīng)用,污水處理也有應(yīng)用。

4展望

因?yàn)闅饽z的優(yōu)良特性,所以在建筑領(lǐng)域很有前景。不能直接應(yīng)用則是由于純凈氣凝膠材料強(qiáng)度低､脆性大,氣凝膠材料在國內(nèi)國外被廣泛研究,試圖對其改性從而克服一些不足。改善氣凝膠的脆性與韌性需要將摻雜劑或增強(qiáng)/增韌劑加入氣凝膠材料中制作多元或者復(fù)合氣凝膠材料。氣凝膠制備主要有兩種方法:一種是首先制備好氣凝膠粉末或者顆粒,然后再其中加入摻雜材料與黏結(jié)劑,最后注塑并模壓成型制得復(fù)合體。將摻雜材料在凝膠過程前加入也是一種處理方法。摻雜材料通常是指纖維增強(qiáng)材料,如玻璃纖維等。在化工､建筑､航空､醫(yī)藥等領(lǐng)域氣凝膠材料也有所涉及｡美國宇航局近日研制了新型的氣凝膠,密度為3.55kg/m3,是空氣的2.75倍,是“世界上密度最低的固體”。我國氣凝膠研究尚淺,但隨著綠色節(jié)能環(huán)保日益受到重視,氣凝膠是未來節(jié)能建筑領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)｡

作者：劉潤清 李瑤 劉軍 楊元全 單位：沈陽理工大學(xué)材料學(xué)院