气凝胶材料在建筑节能的应用

近年来，市场上所用的模塑（石墨）聚苯乙烯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等有机类保温材料导热系数较低，但燃烧性能达不到A级要求，燃烧时易释放大量有害物质，消防隐患很大。虽然所用的岩棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等无机类保温材料燃烧性能达到A级，但密度又偏大，导热系数偏高，这都导致两类建筑保温材料在实际应用中的局限性。气凝胶材料，被称为“最轻的固体材料”，是一种无机材料，具有A级不燃的特性，同时其导热系数较低，因而成为国际关注的新型隔热材料，又被称为“超级隔热保温材料”。本文通过探析低成本制备的气凝胶材料在建筑外墙保温系统的应用，实现高效节能与防火兼备，提升建筑节能水平，推进建材行业循环、绿色、低碳发展。

1气凝胶材料的发展现状

气凝胶是美国StevenS.Kistler在1931年发明的一种材料，他以硅酸钠为硅源，盐酸为催化剂，制备了水凝胶，通过溶剂置换和乙醇超临界干燥，首次制备了SiO2气凝胶。在此后的几年时间里，Kistler详尽地表征了SiO2气凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其它气凝胶材料，包括Al2O3、WO3等气凝胶材料。然而早期气凝胶非常易碎和昂贵，主要在实验室内使用，因此，在随后的30多年中，气凝胶的研究一直没有明显进展。直到20世纪70年代末，经过法国科学家Teichner以及美国劳伦兹伯克利国家实验室的ArlonHunt等人的不懈努力，才获得了极大的发展。利用正硅酸甲酯（TMOS）代替硅酸钠，在甲醇溶液中通过TMOS水解一步产生凝胶（称为“醇凝胶”），再在超临界甲醇条件下进行干燥而成。

20世纪80年代后期，由LarryHrubesh领导的LLNL实验室研究人员制备出世界上密度最小的气凝胶（并且是密度最小的固体材料），气凝胶的密度为0.003g/cm3，仅为空气密度的三倍。其间气凝胶的制备及其表征有了较大的进步。而在气凝胶的应用方面，最早于1974年用于切伦科夫探测器，1982年二氧化硅气凝胶用于太阳能集热器的覆盖层，1983年作为隔热层用于双面窗等，这些使得人们开始对二氧化硅气凝胶产生了兴趣。1993年气凝胶被应用到宇航服、太空飞船、航天飞机等（图1）国内的气凝胶发展较晚，直到20世纪90年代才被国内一些专家关注，随后开展了大量的基础研究工作。同济大学沈军等用硅溶胶常压制备出气凝胶，为气凝胶的常压低成本制作提供了实验基础。从2002年开始，气凝胶的研究在国内企业中展开，出现了很多复合气凝胶，为实现气凝胶的多领域应用打下了坚实的基础。

纵观国内外SiO2气凝胶的技术发展可以发现，通过先进的技术工艺和设备可以制得密度在200kg/m3左右、导热系数在0.02W/（m•K）左右的纯SiO2气凝胶，然而这类SiO2气凝胶产品的制备仍然存在成本昂贵、工艺复杂、强度较低等缺陷，限制了其在建筑保温材料的应用。目前，天津市建筑材料科学研究院联合天津工业大学针对SiO2气凝胶制备过程中存在的问题，组织研发团队专项研究、技术攻关，分别利用正硅酸乙酯和工业水玻璃作为硅源，采用溶胶-凝胶法及常压干燥工艺低成本成功制备了SiO2气凝胶，且通过工艺优化，制备周期由原先的7d缩短为4d。低成本快速制备的SiO2气凝胶密度为68kg/m3、孔隙率96.8%，导热系数为0.0150W/（m•K），比表面积865.115m2g，平均孔径10.718nm，同时该SiO2气凝胶材料具备更加优良的疏水性能（制备材料见图2，性能指标见表1）。实现了制备工艺的简单化、安全化和低成本化，为其能够大规模生产、尽快实现实际应用奠定了坚实的基础。

2气凝胶材料的发展优势

目前的民用保温材料主要分为两大类：第一，纯有机类保温材料，如挤塑聚苯板、聚氨酯泡沫等。这类材料是最传统的保温材料，导热系数低、保温效果好、比重较轻，防水性和耐候性好，广泛应用于建筑外墙外保温等领域。但是这类材料有着致命的缺陷——有机材料易燃，燃烧时易释放大量有害物质，消防隐患很大。尤其是应用于高层建筑外墙领域的保温板，一旦发生火灾，将造成极其巨大的生命财产损失。在上海高层大火和央视大楼出现火灾后，公安部、住房和城乡建设部要求保温材料防火性能必须达到A级，这对我国的建筑节能市场将会是一个不小的冲击，因此传统意义上的纯有机类保温材料正面临着严峻的考验。

第二，传统无机类保温材料，如膨胀珍珠岩、泡沫玻璃、岩棉板、泡沫混凝土等。这类材料的防火性能优异，在高温下不燃烧不分解，但保温效果不及传统有机材料，其导热系数多维持在0.04W/（m•K）以上，同时，这些材料还有着其他的缺陷，如：膨胀珍珠岩防水效果差，易吸水，水具有巨大的比热容会产生严重的热损失；发泡水泥不仅导热系数高，而且强度较普通水泥差很多，不易于实现大规模应用；岩棉纤维毡难以制成有强度的保温板，只能以毡子的形式应用于供暖管道等部分领域，其材料本身的形状成为其广泛应用的瓶颈。这些都严重限制了传统无机保温材料。

因此，要实现建筑墙体材料节能与防火兼备，研究并推广高效节能、轻质环保的高性能绿色保温建筑材料成为当务之急。被称为“最轻的固体材料”的气凝胶，因其优异的绝热性能成为国际关注的新型隔热材料。硅气凝胶是一种由二氧化硅胶体粒子通过相互桥联构成的具有三维空间网络结构的纳米多孔非晶固体材料，能有效抑制气体对流传热和降低固态热传导，具有极低的热导率，是目前已知热导率最低的固体材料。其密度在3mg/cm3~500mg/cm3之间可调，是世界上密度最低的一种固体材料，孔隙率可达80%~99.8%，孔径尺寸在1nm~100nm之间，比表面积高达1000m2/g。同时，它又是无机材料，具有不燃或阻燃作用。另外，二氧化硅气凝胶还具有绿色环保无公害、疏水、耐腐蚀、耐久性好等特点，这些与其他传统材料相比具有很大的优势，气凝胶可广泛用于绝热材料、吸附剂、干燥介质、催化剂载体、光引导器、宇宙尘埃搜集器、集成电路的绝缘体和建筑节能领域等。气凝胶材料与其他保温性能比较见表2。

3气凝胶材料的发展前景

能源短缺是世界上所有国家面临的共同难题，解决能源短缺最有效的途径是节能，而节能的主要措施之一就是发展和应用隔热材料。由于建筑耗能在人类整个能源消耗中占30%～40%，全世界每年排放11亿吨CO2中超过30%来自住宅取暖，所以建筑节能意义重大。建筑物使用保温隔热材料是节约能源、提高建筑居住和使用功能的一个重要措施。在建筑中，外围护结构的热损耗较大，而外围护结构中墙体又占了很大份额。对于保温隔热材料的选择必须要遵守几点要求：

（1）保温隔热性要好；（2）防火、防水及耐高温性要强；（3）要有一定的机械强度。同时建筑的一些关键的部位与环境，由于容易受到环境与空间的影响，对隔热保温材料的要求更加苛刻。气凝胶材料的低成本大规模生产，进一步利用制成气凝胶毡、气凝胶板、气凝胶玻璃、气凝胶涂料等，可以作为绝热材料、隔声材料、吸附剂、干燥介质、催化剂载体等进行应用。其中，气凝胶毡、板可以用于建筑保温、管道及设备保温等，深入开发这些保温材料可以进一步丰富市场中保温材料的种类，具有更加多样的应用范围，具有很好的市场前景。高热阻、阻燃的气凝胶材料丰富了保温隔热材料市场，提高建筑的保温性能和节能特性，避免了能源资源的浪费，气凝胶的阻燃特性也提高了住户的安全保障。轻质保温的气凝胶材料制品将突破目前建筑保温材料自身发展的瓶颈，有效推动住宅产业化、建筑节能及其评价等产业的发展，以此推进天津市住宅的建筑节能和绿色建筑的产业化进程，可有效提高节能环保功能，积极促进我国建筑节能产业的绿色发展。

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