氣凝膠絕熱材料，助你走向綠色節(jié)能工業(yè)

張秋華 衛(wèi)榮輝 謝偉軍 劉平 (廣東埃力生高新科技有限公司 513044)

氣凝膠材料孕育于20世紀(jì)30年代，作為一種保溫隔熱材料，性能優(yōu)越，但由于制備工藝極其復(fù)雜，且技術(shù)含量相對(duì)較高，故應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括航天航空領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域、醫(yī)藥載體領(lǐng)域等。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)氣凝膠材料研究得到了進(jìn)一步的深入與擴(kuò)展，氣凝膠材料逐漸在工業(yè)管道保溫、設(shè)備保溫等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在現(xiàn)階段，建筑能耗作為社會(huì)總能耗的關(guān)鍵指標(biāo)，建筑節(jié)能已經(jīng)成為當(dāng)前諸多研究學(xué)者的關(guān)鍵課題。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用的常見(jiàn)墻體保溫形式為外墻外保溫，由于外墻外保溫材料防火性能差，與現(xiàn)階段防火等級(jí)要求不符，故創(chuàng)建保溫性能好、防火等級(jí)高的替代材料已成為了外墻外保溫行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵態(tài)勢(shì)。而氣凝膠材料保溫隔熱性能優(yōu)越，且防火性能頗佳，屬于理想替代品，應(yīng)用前景廣闊。

一、氣凝膠絕熱材料導(dǎo)熱性能、低傳導(dǎo)熱機(jī)理概述

1.導(dǎo)熱性能分析

氣凝膠屬于一種固體材料，主要由超微粒子構(gòu)成，包括碳?xì)饽z、Si O2氣凝膠等。氣凝膠材料粒徑小、密度低、比表面積高、氣孔率高，其微觀網(wǎng)絡(luò)骨架歸入納米范疇。1931年，K i s t l e r應(yīng)用超臨界干燥方法并擇取水玻璃為材料制備了Si O2氣凝膠。一般而言，在氣凝膠中，氣孔尺寸為納米級(jí)，由于孔隙率與比表面積高等，促使其導(dǎo)熱系數(shù)在0.02 W/(m·K)以下。由于其保溫隔熱性能優(yōu)越，故得到研究者廣泛重視。

2.低傳導(dǎo)熱機(jī)理

在介質(zhì)中，熱量擴(kuò)散方式主要包括三種：一是熱傳導(dǎo)。氣凝膠密度小、孔隙率高，導(dǎo)致在材料內(nèi)部熱量傳播路徑拖長(zhǎng)，熱量傳播效率下降，固態(tài)熱傳導(dǎo)率低下；二是對(duì)流傳熱。由于氣凝膠膠體顆粒尺寸小，空氣分子自由程低，導(dǎo)致氣凝膠材料內(nèi)部沒(méi)有允許空氣分子的活動(dòng)空間，對(duì)流熱傳導(dǎo)率低下；三是輻射傳熱。氣凝膠熱輻射為紅外熱輻射，紅外線波長(zhǎng)為14μm左右，可對(duì)沖紅外光輻射，加上多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻滯熱輻射，故對(duì)熱輻射具有高遮擋效率，輻射熱導(dǎo)率低。

二、氣凝膠絕熱材料制備分析

針對(duì)氣凝膠絕熱材料制備而言，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：1.氣凝膠制備工藝化學(xué)過(guò)程。溶膠-凝膠工藝作為當(dāng)前氣凝膠制備應(yīng)用最廣泛一種工藝手段，主要包括兩個(gè)過(guò)程：一是溶膠-凝膠過(guò)程，二是醇凝膠干燥工藝。在溶膠凝膠過(guò)程中，產(chǎn)生水解反應(yīng)與縮聚反應(yīng)。前驅(qū)體材料易發(fā)生水解，形成Si(OH)4基團(tuán)，并與Si(OH)4基團(tuán)間產(chǎn)生縮聚反應(yīng)，構(gòu)成網(wǎng)狀凝膠。在此過(guò)程中，水解反應(yīng)與縮聚反應(yīng)同步開(kāi)展，其相對(duì)速率與所構(gòu)成材料的密度、結(jié)構(gòu)、凝膠顆粒形態(tài)密切相關(guān)；2.氣凝膠材料干燥技術(shù)。氣凝膠干燥作為制備過(guò)程中的重要技術(shù)，最終構(gòu)成的氣凝膠材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完整度與氣凝膠材料性能息息相關(guān)。前驅(qū)體通過(guò)水解與縮聚反應(yīng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體后排除液相溶劑，最終獲取固相氣凝膠材料。在排除過(guò)程中，溶劑基于氣凝膠微結(jié)構(gòu)作用下構(gòu)成毛細(xì)管力，經(jīng)干燥后毛細(xì)管力易破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，難以獲取塊體材料。由此可見(jiàn)，要想氣凝膠材料性能優(yōu)良，于干燥過(guò)程中，要促使毛細(xì)管力低于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整。目前，氣凝膠材料制備應(yīng)用的前驅(qū)體主要包括水玻璃、硅酸甲酯、正硅酸乙酯；3.氣凝膠材料性能改善研究。我國(guó)在納米孔超級(jí)絕熱材料方面的研究尚處于探索階段。Si O2氣凝膠在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用存在瓶頸障礙，其生產(chǎn)制造工藝技術(shù)要求高，而原材料價(jià)格昂貴，強(qiáng)度低，單獨(dú)應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，纖維可制備Si O2氣凝膠復(fù)合材料，能改善其性能。

三、氣凝膠絕熱材料在工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景

在現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)上市的氣凝膠材料主要包括六種：一是氣凝膠絕熱氈，二是氣凝膠絕熱板，三是氣凝膠粉體，四是氣凝膠顆粒，五是絕熱筒體異形件，六是絕熱采光板。此類氣凝膠產(chǎn)品在工業(yè)管道、太陽(yáng)能集熱器、設(shè)備節(jié)能保溫、冶金、航空航天、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用，目前氣凝膠節(jié)能門(mén)窗氣凝膠材料應(yīng)用方向最廣。目前，國(guó)外氣凝膠節(jié)能門(mén)窗研究主要以顆粒狀氣凝膠與整塊氣凝膠制作為導(dǎo)向，研究二氧化硅氣凝膠透光隔熱玻璃門(mén)窗與夾層節(jié)能玻璃。目前，國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)主要是利用氣凝膠制備新型絕熱板材，夾芯層屬于氣凝膠材料，同時(shí)采用以氣凝膠材料為導(dǎo)向的復(fù)合材料替代顆粒、塊體或粉體材料，且以氣凝膠粉體、顆粒為導(dǎo)向生產(chǎn)復(fù)合材料替代板材夾芯層。美國(guó)目前設(shè)計(jì)了一種氣凝膠新型板材，透光率達(dá)19%左右，傳熱系數(shù)為0.049 W/(m2·K)左右。此種板材以納米凝膠材料為內(nèi)核材料，兩側(cè)結(jié)合輔助材料制成復(fù)合夾芯板，應(yīng)用于天窗系統(tǒng)上保溫隔熱效果頗佳。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，氣凝膠材料結(jié)構(gòu)獨(dú)特，保溫隔熱性能、防火性能優(yōu)越，可替代現(xiàn)有有機(jī)保溫板、陶粒、無(wú)機(jī)?；⒅?、聚苯顆粒、陶砂等材料，能顯著改善保溫涂料性能，在墻體保溫領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，同時(shí)在軍工、航天航空、醫(yī)藥載體等領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用前景，已成為研究者們今后探究的重要課題。

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