氣凝膠材料在建筑節(jié)能的運用
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摘要：氣凝膠材料是當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；因為其有很多優(yōu)異的特性如導熱性低、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)能領域具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：氣凝膠;低導熱性;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､無機及炭氣凝膠［8］｡1.1無機氣凝膠無機氣凝膠是一種低密度非晶固態(tài)材料，其原料是金屬有機物，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;超細金屬､陶瓷粉末等｡
1.2有機氣凝膠
間苯二酚/甲醛有機氣凝膠是由20世紀80年代美國人研制［9］，它制備的方法與無機氣凝膠幾乎相同。目前有機氣凝膠方面制備的有:間苯二酚-甲醛（RF）､三聚氰胺-甲醛（MF）等｡有機比無機氣凝膠紅外吸收能力強，輻射導熱率卻相對較低｡
1.3炭氣凝膠
炭氣凝膠屬于納米炭材料,其特點是多孔､輕質、非晶態(tài),生產制備通常是通過熱固性的有機氣凝膠經炭化后得到。常溫下的導電率比其他炭材料高可達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｡
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為其種類不同而不同｡
2.1.1無機氣凝膠的制備方法
無機氣凝膠的制備是以SiO2氣凝膠的制備為例,通常經過兩個化學反應: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,一部分有機硅發(fā)生縮聚反應｡Si（OR）4+4H2O→Si（OH）4+4HOR（水解）（1）nSi（OH）4→（SiO2）n+2nH2O（縮聚）（2）以上化學反應共同進行,最終氣凝膠的狀態(tài)由相對速度決定｡化學反應環(huán)境過酸將抑制縮聚反應,促進水解反應,從而形成聚合物狀凝膠;當過堿環(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/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)生縮聚反應是羥甲基（-CH2OH）與苯環(huán)上空位反應,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團簇由大的膠體顆粒形成,最終形成RF有機凝膠｡有機與無機作用機理類似，水解、縮聚反應的相對速率以及溶液的酸堿度均對氣凝膠的網(wǎng)絡結構、交聯(lián)度產生影響。適當條件下，熱固性有機氣凝膠通過高溫熱解､碳化，最后獲得炭氣凝膠｡
2.2氣凝膠材料的干燥技術
具有實用價值的氣凝膠材料的形成是凝膠經過干燥后得到的｡下面介紹幾種常見的干燥技術。
2.2.1超臨界干燥技術
通過用高溫高壓將介質干燥到超臨界狀態(tài)是超臨界干燥技術的主要原理所在,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的實施中會應用到可燃性的干燥介質，因此其操作具有危險性｡目前用CO2替代危險性的干燥介質，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，主要是利用CO2的不燃性，使干燥技術的危險性大大降低［12］｡
2.2.2非超臨界干燥技術
常壓干燥､亞臨界干燥與冷凍干燥等是非超臨界干燥技術｡亞臨界和超臨界干燥技術相似,需要調節(jié)干燥過程中的實驗參數(shù)低于臨界點，因技術不熟所以研究也較少［13］｡升華干燥是冷凍干燥的升級，在低溫下實現(xiàn)液氣與固氣的轉化,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，但其費用較高，應用范圍窄，破壞制品性能的應力是來自于液體向固體轉化［14］｡當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管附加壓力是常壓干燥的重點，可以保持醇凝膠的多孔網(wǎng)絡結構｡溶劑置換､表面改性及強化網(wǎng)絡骨骼等方法是當前實用有效的方法［8］。
3氣凝膠材料的特性及應用
3.1低導熱性與應用的介紹
氣凝膠材料在結構方面與其它材料不同,氣孔微小,微觀結構與空隙都是納米級別,因此熱傳導、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熱系數(shù),其值通常為0.01~0.03W/（m•K）,應是目前為止所知導熱系數(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)能領域應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結構耗能的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%｡國外當前將氣凝膠的研究與門窗散熱相結合，一是對顆粒狀氣凝膠的應用，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,還可以吸音［18］｡Reim等［19］研發(fā)了新型的玻璃窗應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絕熱隔音性與應用的介紹
將氣凝膠材料復合而成夾芯層,用來制作優(yōu)良的生態(tài)建材,這種優(yōu)質建材具有絕熱和隔音性能｡目前國內外研究的重點之一就是用氣凝膠生產新型絕熱板材｡波士頓的Cobot公司研制出新產品—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耐火性及應用的介紹
氣凝膠因其多孔結構,所以不然性為A級｡將鋼結構的表面用氣凝膠制作的復合材料覆蓋,材料承受灼燒時間變長,無有害物質產生,但是火勢得到了控制,是很好的耐火材料［23］｡哈爾濱工業(yè)大學在氣凝膠涂料方向有了新的隔熱､隔音等突破,此項發(fā)明已獲得國家專利［4］｡
3.4保溫性能及其應用的介紹
因為氣凝膠材料在保溫性能和防水性能的優(yōu)勢,氣凝膠材料一般應用于以下幾方面:（1）墻體保溫材料的替代氣凝膠保溫材料的不燃性好,因為導熱系數(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密度也合適時與無機膠凝材料復合制備保溫砂漿,導熱系數(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｡同濟大學的倪興元等［24］將氣凝膠材料與砂漿混合,其試驗結表明,在無機膠凝材料中加氣凝膠導熱系數(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)能標準相同時,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。自重低時粘結層與自身層結合的負擔會降低,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)較厚保溫材料達到相同效果,就是因為氣凝膠較無機類保溫材料導熱系數(shù)低。由于墻體夾芯材料厚度的降低,則產生一系列優(yōu)勢如間隙空間減少,增加使用面積,墻體自重減輕,結構安全性提高。
3.5透光性能及應用
將氣凝膠透光性與保溫性的優(yōu)點應用在太陽能集熱器,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,已應用的太陽能熱水器保溫材料就是廈門大學材料學院研究出納米多孔超輕質高效隔熱SiO2氣凝膠材料，高溫不分解與保溫性好是其優(yōu)點｡3.6孔隙率高､表面積大及應用孔隙率高､表面積大使氣凝膠材料作為凈化器過的最佳選擇［27］｡因為氣凝膠材料吸收能力較高,所以房屋內的空氣凈化,灰塵棉絮的清除與細菌病毒的防護都有應用,污水處理也有應用。
4展望
因為氣凝膠的優(yōu)良特性,所以在建筑領域很有前景。不能直接應用則是由于純凈氣凝膠材料強度低､脆性大,氣凝膠材料在國內國外被廣泛研究,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/增韌劑加入氣凝膠材料中制作多元或者復合氣凝膠材料。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劑,最后注塑并模壓成型制得復合體。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材料,如玻璃纖維等。在化工､建筑､航空､醫(yī)藥等領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)能建筑領域發(fā)展的基礎｡
作者：劉潤清 李瑤 劉軍 楊元全 單位：沈陽理工大學材料學院