納米多孔保溫材料的研究及應(yīng)用

李建鳳，廖立敏

(內(nèi)江師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100)

隨著科技的發(fā)展，人口的增加，人們生活水平的提高，在世界范圍內(nèi)能源變得越來越寶貴，某些地方已經(jīng)出現(xiàn)了能源緊缺的狀況。為了解決能源緊缺問題，除了加大能源開發(fā)力度、努力尋求開發(fā)新型可再生能源外，節(jié)能成為科學(xué)家重要的研究課題。在能量的生產(chǎn)、輸送、使用、儲(chǔ)存等過程中，能量或多或少地被損失浪費(fèi)掉。在節(jié)能和制冷領(lǐng)域，絕熱保溫材料是關(guān)鍵。20世紀(jì)80年代以來，納米技術(shù)得到迅速發(fā)展并成為一項(xiàng)重要的技術(shù)，在絕熱、保溫材料的生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

1 絕熱、保溫機(jī)理

熱傳遞的方式有3種，傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳導(dǎo)通常通過固體介質(zhì)，熱量由高溫部分向低溫部分傳導(dǎo)；熱對(duì)流通常通過氣體或液體介質(zhì)完成；而熱輻射通常不需要任何介質(zhì)，熱量由高溫物體傳向低溫物體。絕熱材料應(yīng)該在上述三種熱傳遞方式中阻斷或減緩熱傳遞[1-3]，作為優(yōu)良的絕熱材料除需要足夠的機(jī)械強(qiáng)度外，應(yīng)該具有足夠小的體積密度以減小熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致的熱損失；要盡可能減小氣體或液體對(duì)流，以減小熱對(duì)流而導(dǎo)致的損失；要有無窮多的反射面將接收到其他部位輻射過來的熱量進(jìn)行反射，以減小熱輻射而導(dǎo)致的損失。納米多孔絕熱材料主要在此三方面表現(xiàn)良好，實(shí)現(xiàn)材料的絕熱和保溫性能。納米絕熱、保溫材料通常多孔、孔隙較小，在100nm以下，實(shí)現(xiàn)熱量無數(shù)次反射以減小熱輻射而導(dǎo)致的損失；氣孔尺寸在50nm以下，氣體失去自由運(yùn)動(dòng)的能力以減小熱對(duì)流而導(dǎo)致的損失；具有很低的體積密度，材料內(nèi)部氣體體積較大，固體體積小以減小熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致的熱損失。

2 絕熱、保溫材料與SiO2氣凝膠

SiO2氣凝膠是一種新型納米材料[4-5]，具有多孔、輕質(zhì)、密度低、比表面積大和孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的絕熱和保溫性能，受到研究者的重視，成為絕熱、保溫材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但是SiO2氣凝膠質(zhì)脆，機(jī)械強(qiáng)度不夠而不能作為超級(jí)絕熱材料直接用于工程實(shí)際，必須對(duì)其強(qiáng)度和韌性進(jìn)行改進(jìn)以滿足實(shí)際需要。例如采用硅酸鋁纖維作為SiO2氣凝膠增強(qiáng)組分，制備出了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值且絕熱、保溫性能優(yōu)良的納米孔超級(jí)絕熱材料,并對(duì)其高溫絕熱性能的改善提出了方向。SiO2氣凝膠具有導(dǎo)熱系數(shù)低，吸附性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型絕熱、保溫材料。

3 SiO2氣凝膠絕熱、保溫材料的制備

3.1 SiO2醇凝膠

SiO2醇凝膠的制備過程包括制備和干燥兩個(gè)步驟，SiO2醇凝膠的制備方法很多，較常用的是溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠技術(shù)是指線度為1～100nm的固體顆粒均勻地分散在適當(dāng)?shù)囊后w中，形成的單相溶液 在一定的溫度、濕度、酸堿度、壓力等的反應(yīng)件下轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◤?qiáng)度的多孔凝膠的過程。國內(nèi)外目前普遍采用正硅酸乙脂作為原料制備SiO2氣凝膠，合成方法分為一步法、兩步法，都要先制備出SiO2醇凝膠。

3.2 SiO2氣凝膠

醇凝膠經(jīng)干燥后制得氣凝膠，醇凝膠的干燥方法主要有以下幾種：超臨界干燥法、亞臨界干燥法、常壓干燥法、冷凍干燥法、減壓干燥法等，目前比較成熟和常用的技術(shù)為超臨界干燥技術(shù)制備SiO2氣凝膠，在超臨界狀態(tài)下，氣體和液體之間不再有界面存在，而是成為界于氣體和液體之間的一種均勻的超臨界流體。超臨界流體既具有液體般優(yōu)良的溶解性能，又具有氣體般良好的流動(dòng)性和傳質(zhì)速率。通過此法制備的SiO2氣凝膠具有質(zhì)輕、多孔、空間密度小、絕熱性能良好等特點(diǎn)。

3.3 SiO2氣凝膠的改性

雖然SiO2氣凝膠具有良好的絕熱、保溫性能，但由于其具有機(jī)械強(qiáng)度差、韌性差、易脆的缺點(diǎn)，限制了其直接作為絕熱、保溫材料應(yīng)用于保溫工程。在其應(yīng)用于絕熱、保溫工程之前，需要對(duì)其改性以增加SiO2氣凝膠的強(qiáng)度和韌性。使用超臨界干燥的方法，同時(shí)在凝膠制備過程中加入硅酸鹽纖維作為改性劑，可以增加材料的強(qiáng)度和韌性，最終制備出可以應(yīng)用的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合絕熱、保溫SiO2氣凝膠。Xiaochun Li等[6]在凝膠制備過程中加入無機(jī)或有機(jī)硬質(zhì)玻璃，以形成具有一定強(qiáng)度的復(fù)合材料，但得到的絕熱保溫體積密度較大，絕熱、保溫性能大大降低。 楊海龍等[7]為解決SiO2氣凝膠質(zhì)脆的難題，以正硅酸乙酯為硅源，采用溶膠-凝膠法和超臨界干燥工藝制備了硅酸鋁纖維增強(qiáng)納米孔超級(jí)絕熱材料，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明所得絕熱、保溫材料具有一定的強(qiáng)度且可用于保溫工程實(shí)際，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

4 絕熱、保溫材料的應(yīng)用

為減少能量的損失，提高能量的利用效率，在一些絕熱、保溫等領(lǐng)域需要用到保溫材料?；て髽I(yè)在設(shè)備外形上一般尺寸是較為復(fù)雜的，管道直徑也較大，保溫工作難度較大，能耗也較大。為降低能耗化工管道保溫層性能有待提高[8-9]，納米多孔保溫材料是不錯(cuò)的選擇。大型冷庫、冷間能耗高，對(duì)隔熱、保溫要求高，通常需要絕熱、保溫性能良好的材料[10-11]，因而納米多孔保溫材料有望得到應(yīng)用。在當(dāng)前建筑工程施工過程中，利用新型保溫節(jié)能材料，可以節(jié)約建筑資源，降低工程效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)[12]。

5 結(jié)論

本文對(duì)絕熱、保溫材料的保溫機(jī)理，納米多孔保溫材料制備、改性及應(yīng)用進(jìn)行了分析與綜述。目前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)為SiO2氣凝膠絕熱、保溫材料，制備方法通常包括醇凝膠的制備及干燥。由于SiO2氣凝膠強(qiáng)度低、韌性差而限制了其直接作為絕熱保溫材料應(yīng)用于絕熱、保溫工程，通常在凝膠制備過程中摻雜進(jìn)行改性以制得強(qiáng)度較大、韌性較好、可以直接應(yīng)用的SiO2氣凝膠絕熱、保溫材料。本文對(duì)于新型輕質(zhì)納米多孔保溫材料的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。