气凝胶材料在建筑节能的运用(共4992字)

摘要：气凝胶材料是当前最为新型的一种绿色建材｡在这篇文章中主要是简单介绍说明了气凝胶材料的分类，气凝胶的制备工艺以及其优良特性；因为其有很多优异的特性如导热性低、隔音性能很好、耐火性能高等，所以气凝胶作为一种新型的绿色建筑节能材料其在建筑节能领域具有广阔的应用前景。

关键词：气凝胶;低导热性;耐火性;建筑节能

1气凝胶材料的分类

根据气凝胶材料的组成成分将其分为有机､无机及炭气凝胶［8］｡1.1无机气凝胶无机气凝胶是一种低密度非晶固态材料，其原料是金属有机物，干燥工艺是溶胶-凝胶法与超临界干燥工艺。单元氧化物气凝胶是最近研制出来的；同时还有二元或多元氧化物气凝胶;超细金属､陶瓷粉末等｡

1.2有机气凝胶

间苯二酚/甲醛有机气凝胶是由20世纪80年代美国人研制［9］，它制备的方法与无机气凝胶几乎相同。目前有机气凝胶方面制备的有:间苯二酚-甲醛（RF）､三聚氰胺-甲醛（MF）等｡有机比无机气凝胶红外吸收能力强，辐射导热率却相对较低｡

1.3炭气凝胶

炭气凝胶属于纳米炭材料,其特点是多孔､轻质、非晶态,生产制备通常是通过热固性的有机气凝胶经炭化后得到。常温下的导电率比其他炭材料高可达10~25s/cm｡此外,炭气凝胶也有很好的耐腐蚀性､较高的表面积等优点｡

2气凝胶材料的制备

2.1气凝胶的制备工艺

气凝胶的制备方法因为其种类不同而不同｡

2.1.1无机气凝胶的制备方法

无机气凝胶的制备是以SiO2气凝胶的制备为例,通常经过两个化学反应:将催化剂加入到硅酸甲酯、水玻璃和正硅酸乙酯中发生反应,一部分有机硅发生缩聚反应｡Si（OR）4+4H2O→Si（OH）4+4HOR（水解）（1）nSi（OH）4→（SiO2）n+2nH2O（缩聚）（2）以上化学反应共同进行,最终气凝胶的状态由相对速度决定｡化学反应环境过酸将抑制缩聚反应,促进水解反应,从而形成聚合物状凝胶;当过碱环境是情况则不同,形成的凝胶是颗粒状的｡而颗粒的大小及分布可以通过pH值和工艺的其他条件来控制［10］｡

2.1.2有机/炭化气凝胶的制备方法

本文用间苯二酚―甲醛（RF）气凝胶为例｡首先，间苯二酚与甲醛发生加成反应形成单/多元羟甲基间苯二酚；单/多元羟甲基间苯二酚发生缩聚反应是羟甲基（-CH2OH）与苯环上空位反应,最终形成基元胶体颗粒用亚甲基键（-CH2-）和亚甲基醚键（-CH2OCH2-）连接；溶解较好的是小基元状胶体颗粒,RF团簇由大的胶体颗粒形成,最终形成RF有机凝胶｡有机与无机作用机理类似，水解、缩聚反应的相对速率以及溶液的酸碱度均对气凝胶的网络结构、交联度产生影响。适当条件下，热固性有机气凝胶通过高温热解､碳化，最后获得炭气凝胶｡

2.2气凝胶材料的干燥技术

具有实用价值的气凝胶材料的形成是凝胶经过干燥后得到的｡下面介绍几种常见的干燥技术。

2.2.1超临界干燥技术

通过用高温高压将介质干燥到超临界状态是超临界干燥技术的主要原理所在,为了胶凝的性能很好的保持,需要将液/气界面消除或转化从而可以大幅度避免表面张力［11］｡但是在超临界干燥技术的实施中会应用到可燃性的干燥介质，因此其操作具有危险性｡目前用CO2替代危险性的干燥介质，将干燥的温度降至30°C左右，是一种新型的低温超临界干燥技术，主要是利用CO2的不燃性，使干燥技术的危险性大大降低［12］｡

2.2.2非超临界干燥技术

常压干燥､亚临界干燥与冷冻干燥等是非超临界干燥技术｡亚临界和超临界干燥技术相似,需要调节干燥过程中的实验参数低于临界点，因技术不熟所以研究也较少［13］｡升华干燥是冷冻干燥的升级，在低温下实现液气与固气的转化,在较高真空条件下，通过升华去除溶剂的干燥方法。冷冻干燥需要低温低压从而避免表面张力的影响，但其费用较高，应用范围窄，破坏制品性能的应力是来自于液体向固体转化［14］｡当前最为主要的研究是常压干燥［15,16］｡干燥过程中消除气液两界面的表面张力和凝胶孔隙中的毛细管附加压力是常压干燥的重点，可以保持醇凝胶的多孔网络结构｡溶剂置换､表面改性及强化网络骨骼等方法是当前实用有效的方法［8］。

3气凝胶材料的特性及应用

3.1低导热性与应用的介绍

气凝胶材料在结构方面与其它材料不同,气孔微小,微观结构与空隙都是纳米级别,因此热传导、对流传热和辐射传热都受限制。因此,气凝胶材料相比其他材料具有较很低的导热系数,其值通常为0.01~0.03W/（m•K）,应是目前为止所知导热系数最低的固体材料［17］｡气凝胶材料制作的节能门窗是目前气凝胶在建筑节能领域应用最为广泛的一个方向｡我国门窗洞口处的耗能占建筑围护结构耗能的40％~50％,因此门窗的节能是很重要的｡玻璃的保温隔热受两个因素影响,遮蔽系数和传热系数［12］｡节能门窗的制作主要是通过降低传热系数来实现节能的｡因此保温效果极好,25mm厚的纳米气凝胶材料制作的节能玻璃的传热系数可低至0.57W/（m2•K），传热系数是同厚度双层玻璃的2/5,保持45%的透光率,总透射率为43%｡国外当前将气凝胶的研究与门窗散热相结合，一是对颗粒状气凝胶的应用，将其制作成新型的透光隔热玻璃门窗，二是将节能玻璃的填充层使用整块的二氧化硅气凝胶｡俄罗斯公司在2000年研发的气凝胶玻璃是其新的应用,玻璃外观与普通玻璃类似,但相比普通玻璃又具有较高的保温性能,防辐射､耐热､阻燃的特点,还可以吸音［18］｡Reim等［19］研发了新型的玻璃窗应用的是二氧化硅气凝胶｡Schultz等［20］在双层玻璃（4mm）中填充二氧化硅气凝胶（15mm）,制成了非常隔热的玻璃,同时发现气凝胶的厚度大时玻璃的传热系数会变低［21］｡

3.2绝热隔音性与应用的介绍

将气凝胶材料复合而成夹芯层,用来制作优良的生态建材,这种优质建材具有绝热和隔音性能｡目前国内外研究的重点之一就是用气凝胶生产新型绝热板材｡波士顿的Cobot公司研制出新产品―Nanogel,是一种兼具多种功能的可循环材料如可以防潮､防菌等｡Kalwell建材公司以Nanogel为材料设计了Nanogel夹芯板｡一种透光率为20%、传热系数为0.05W/（m2•K）的气凝胶板材被美国公司生产制造,采用了纳米凝胶,再加辅助材料制得夹芯板［12］。有特殊要求的建筑也可以用气凝胶板材建造［22］。

3.3耐火性及应用的介绍

气凝胶因其多孔结构,所以不然性为A级｡将钢结构的表面用气凝胶制作的复合材料覆盖,材料承受灼烧时间变长,无有害物质产生,但是火势得到了控制,是很好的耐火材料［23］｡哈尔滨工业大学在气凝胶涂料方向有了新的隔热､隔音等突破,此项发明已获得国家专利［4］｡

3.4保温性能及其应用的介绍

因为气凝胶材料在保温性能和防水性能的优势,气凝胶材料一般应用于以下几方面:（1）墙体保温材料的替代气凝胶保温材料的不燃性好,因为导热系数是0.020W/（m•K）,所以可以取代墙体保温材料,其系数保温砂浆的1/3,岩棉板的1/2,EPS/XPS板的1/2,并用其他材料配合可以发挥更大的优势［10］｡（2）将气凝胶颗粒在保温砂浆中发挥作用合理粒径的气凝胶材料当密度也合适时与无机胶凝材料复合制备保温砂浆,导热系数为0.04W/（m•K）~0.06W/（m•K）,比其他材料用作保温砂浆更有优势｡同济大学的倪兴元等［24］将气凝胶材料与砂浆混合,其试验结表明,在无机胶凝材料中加气凝胶导热系数将大幅度降低｡（3）保温装饰一体化板中气凝胶的作用节能标准相同时,气凝胶材料可代替1/2厚的岩棉板,保温装饰一体化板30%~40%的自重会降低。自重低时粘结层与自身层结合的负担会降低,提高安全系数。（4）墙体夹芯保温中气凝胶的作用较少的气凝胶材料就与传统较厚保温材料达到相同效果,就是因为气凝胶较无机类保温材料导热系数低。由于墙体夹芯材料厚度的降低,则产生一系列优势如间隙空间减少,增加使用面积,墙体自重减轻,结构安全性提高。

3.5透光性能及应用

将气凝胶透光性与保温性的优点应用在太阳能集热器,太阳能利用率将很大的提高［25］｡将气凝胶材料应用于热水器的储水箱､集热器和管道,使太阳能热水器的集热效率提升1倍以上，而热损失只是30%以下［26］。目前,已应用的太阳能热水器保温材料就是厦门大学材料学院研究出纳米多孔超轻质高效隔热SiO2气凝胶材料，高温不分解与保温性好是其优点｡3.6孔隙率高､表面积大及应用孔隙率高､表面积大使气凝胶材料作为净化器过的最佳选择［27］｡因为气凝胶材料吸收能力较高,所以房屋内的空气净化,灰尘棉絮的清除与细菌病毒的防护都有应用,污水处理也有应用。

4展望

因为气凝胶的优良特性,所以在建筑领域很有前景。不能直接应用则是由于纯净气凝胶材料强度低､脆性大,气凝胶材料在国内国外被广泛研究,试图对其改性从而克服一些不足。改善气凝胶的脆性与韧性需要将掺杂剂或增强/增韧剂加入气凝胶材料中制作多元或者复合气凝胶材料。气凝胶制备主要有两种方法:一种是首先制备好气凝胶粉末或者颗粒,然后再其中加入掺杂材料与黏结剂,最后注塑并模压成型制得复合体。将掺杂材料在凝胶过程前加入也是一种处理方法。掺杂材料通常是指纤维增强材料,如玻璃纤维等。在化工､建筑､航空､医药等领域气凝胶材料也有所涉及｡美国宇航局近日研制了新型的气凝胶,密度为3.55kg/m3,是空气的2.75倍,是“世界上密度最低的固体”。我国气凝胶研究尚浅,但随着绿色节能环保日益受到重视,气凝胶是未来节能建筑领域发展的基础｡

作者：刘润清 李瑶 刘军 杨元全 单位：沈阳理工大学材料学院