SiO2 氣凝膠材料在建筑墻體保溫中的應(yīng)用研究

李斌斌

（1 建華建材（中國）有限公司；2 江蘇省先進(jìn)土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心）

0 引言

能源消耗已成為當(dāng)前人類發(fā)展社會的主要問題之一，建筑業(yè)消耗大量能源并排放大量二氧化碳[1]，因此，減少建筑能耗是實(shí)現(xiàn)減少碳排放的關(guān)鍵組成部分。墻壁隔熱材料是影響建筑節(jié)能的重要因素，墻體材料的節(jié)能貢獻(xiàn)度在建筑節(jié)能中可達(dá)到30%～75%[2]。隔熱保溫材料是一種能顯著降低熱通量的材料。

在建筑材料領(lǐng)域，氣凝膠材料具有優(yōu)良的保溫隔熱、熱導(dǎo)率低、質(zhì)輕、阻燃、防潮、隔音和環(huán)保等優(yōu)勢，非常適合用作建筑結(jié)構(gòu)的保溫節(jié)能墻體材料[3]。其中SiO2氣凝膠材料具有質(zhì)量輕、密度低、比表面積高、熱導(dǎo)率低和透光性高等特性，使得其成為一種新型納米輕質(zhì)、多功能、節(jié)能環(huán)保的材料[4]。正是由于SiO2氣凝膠具有優(yōu)良的保溫隔熱性能和質(zhì)量輕、耐火、環(huán)保等優(yōu)良特性[5]，相比于傳統(tǒng)保溫墻體材料具有更大的功能優(yōu)勢，因而受到人們廣泛的關(guān)注。鑒于此，開展SiO2氣凝膠材料在建筑墻體節(jié)能保溫隔熱中的研究和應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文將從SiO2氣凝膠的本身特性出發(fā)，介紹SiO2氣凝膠材料在現(xiàn)在和未來保溫墻體材料中的應(yīng)用構(gòu)想。

1 氣凝膠介紹

氣凝膠密度極低，是世界上最輕的固體?！叭?xì)饽z”是目前密度最小的一種氣凝膠，僅為0.16mg/cm3（去除空氣密度），是空氣密度的1/6[6]。氣凝膠一般是由粒徑為1～20nm 的顆粒和孔徑為2～50nm 的孔結(jié)構(gòu)兩部分組成的，且孔隙率達(dá)90%以上。水凝膠是在1930 年由Kistler[7]發(fā)現(xiàn)的，他以水玻璃為原料，采用超臨界干燥法制備出來的。

目前SiO2氣凝膠的制備原料有：水玻璃、多聚硅氧烷、正硅酸乙酯和酸作為催化劑等。SiO2氣凝膠的制備過程主要包括溶膠－凝膠和濕凝膠的干燥處理兩個過程。通過溶膠—凝膠法制得的濕凝膠孔隙中充滿了液體，需要通過干燥處理過程，即用空氣代替溶液填充孔隙而得到氣凝膠[8]。

空氣中的熱傳導(dǎo)一般是依靠分子之間的熱運(yùn)動及其碰撞產(chǎn)生熱量的傳遞，高溫和高速運(yùn)動的分子將熱能傳遞給低溫低速的分子。根據(jù)熱力學(xué)，O2和N2的分子自由程約70nm，而氣凝膠的孔徑一般在2～50nm，并且氣凝膠的孔隙率達(dá)90%以上，所以氣凝膠內(nèi)部孔隙中氣體分子涌動的熱對流運(yùn)動將會停止。并且固體熱傳導(dǎo)也不是很明顯。氣凝膠還具有較高的比表面積、很低的表觀密度和較低的折射指數(shù)。氣凝膠可有效減少熱能的傳遞，降低導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能。因此氣凝膠可廣泛用作新型的隔熱墻體材料。

氣凝膠的缺點(diǎn)是力學(xué)性能較差。因而目前不能使用純的氣凝膠材料作為墻體材料，也不宜單獨(dú)用于墻體的內(nèi)外表面[9]?？蓪饽z材料與力學(xué)性能較好的玻璃纖維氈、砂漿及具有良好物理性能的涂料進(jìn)行復(fù)合得到氣凝膠氈、氣凝膠砂漿[10]、氣凝膠混凝土[11]、氣凝膠涂料等氣凝膠保溫材料。由于兼具優(yōu)良的保溫隔熱性能和力學(xué)性能，所以可作為保溫隔熱墻體材料。

2 氣凝膠材料在墻體材料中的應(yīng)用

建筑保溫隔熱類墻體材料種類繁多，常用分類和性能比較可見表1。相比與傳統(tǒng)的墻體保溫材料，氣凝膠在保溫隔熱性能和透光率，防火性能等方面具有更加明顯的優(yōu)勢。

2.1 新型氣凝膠墻板材料

在900～1000℃的溫度下，珍珠巖可轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浾渲閹r，相比于珍珠巖，膨脹珍珠巖[12]具有多孔、輕質(zhì)、隔熱、無毒無味、成本低等優(yōu)點(diǎn)。王亮等[13]結(jié)合珍珠巖較低的導(dǎo)熱系數(shù)和疏水功能，在膨脹珍珠巖的內(nèi)部填充氣凝膠，可合成一種新型的保溫材料--氣凝膠膨脹珍珠巖。并可用硅烷偶聯(lián)劑KH-550 可以作為結(jié)合層，提高了抗壓強(qiáng)度。羥丙基甲基纖維素的聯(lián)結(jié)作用更明顯。經(jīng)過不斷優(yōu)化，羥丙基甲基纖維素和高效聚羧酸減水劑作外加劑可制得導(dǎo)熱系數(shù)低至0.062W/(m·K），抗壓強(qiáng)度為4.39MPa的保溫隔墻板。

圖1 氣凝膠墻板材料

表1 不同保溫材料種類性能的對比

2.2 氣凝膠氈

石家寬[14]以塑料薄膜和氣凝膠氈組合體系覆蓋UHPC 蒸汽養(yǎng)護(hù)過程為研究對象，分析了氣凝膠氈與塑料薄膜的保溫隔熱性能；對不同邊界下UHPC 構(gòu)件養(yǎng)護(hù)全過程進(jìn)行數(shù)值求解，提出了：①氣凝膠氈組合體系的保溫隔熱性能優(yōu)于塑料薄膜，且氣凝膠氈組合體系的保溫隔熱性能隨其厚度的增加而逐漸改善；②可采用24kW 功率的鍋爐對氣凝膠氈組合體系全覆蓋UHPC 進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

圖2 納米SiO2 氣凝膠氈

石墨烯氣凝膠被稱為碳海綿、碳泡沫，是以石墨烯為基本結(jié)構(gòu)單元，各片層通過彎曲反卷，堆積折疊的方式形成一種三維的立體式結(jié)構(gòu)。不僅具有質(zhì)量輕，密度小，孔隙率高的特點(diǎn)，又兼具石墨烯的優(yōu)良的性能。

2.3 新型氣凝膠絕緣涂料

基于（超級）絕緣材料SiO2氣凝膠可作為填料加入到涂料中，制成SiO2氣凝膠隔熱涂料[15]。它由礦物和/或有機(jī)水硬性粘結(jié)劑，包含疏水性SiO2氣凝膠顆粒（或這種材料的粉末）的絕緣填料，結(jié)構(gòu)化填料（可選）和添加劑（可選）組成。氣凝膠顆粒是在專門的工廠中由在高度特定條件下加工和干燥的二氧化硅有機(jī)凝膠單獨(dú)制造的工業(yè)產(chǎn)品。因此，砂漿由這些氣凝膠顆粒制成，這些顆粒以某種方式替代了常規(guī)砂漿中使用的沙子。

圖3 涂上氣凝膠涂料的化工儲罐

同時也可將氣凝膠粉體摻入涂料中，做成具有保溫效果的保溫涂料。氣凝膠保溫涂料主要用于建筑物的外墻表面，用于限制熱橋熱量損失。它的應(yīng)用方式是通過在建筑物外墻上抹灰或噴涂，從而節(jié)省時間和成本。該涂層在10℃的溫度下測得的熱導(dǎo)率為0.027W/（m·K），密度為200kg/m3，比熱為1100J/（kg·K）。

2.4 新型氣凝膠玻璃

SiO2氣凝膠制成的玻璃同時具有高透光性和低導(dǎo)熱系數(shù)兩種特性，可廣泛用作建筑玻璃，可減少室內(nèi)外熱量對流，起到良好的保溫隔熱作用，又不影響室內(nèi)采光。目前，SiO2氣凝膠在建筑玻璃中有兩種常用形式：一是雙層玻璃的夾層中，二是作為玻璃的外鍍膜。

Baetens[16]利用氣凝膠顆粒研制出的高保溫性能的玻璃窗，導(dǎo)熱系數(shù)約為0.044W·m-1·K-1，比普通玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)要低得多，且具有良好的透光性。在辦公樓應(yīng)用這種氣凝膠玻璃可制作幕墻，增加了進(jìn)光量，節(jié)約了電能。Jensen[17]在兩塊4mm 厚的玻璃中間加入密度150㎏/m3、厚度為18mm 的單片硅氣凝膠，通過實(shí)驗(yàn)測得改造后玻璃的傳熱系數(shù)為0.57W/(m2·K)。Schultz 等[18]將氣凝膠做成真空夾板式平板，再放入兩塊玻璃之間，做成面積55cm×55cm，厚度1.5cm 的氣凝膠玻璃，透光率達(dá)到了76%。也有學(xué)者Reim[19]在玻璃之間填充氣凝膠顆粒，透光率達(dá)到88%，傳熱系數(shù)為0.4W/(m2·K)，但是氣凝膠顆粒用量較大，成本較高。

Kim[20]等人在玻璃表面涂上氣凝膠涂層，涂層為100μm 厚時的薄膜，透光率大于10%，導(dǎo)熱系數(shù)低至0.016W/(m2·K)。氣凝膠薄膜涂層降低導(dǎo)熱系數(shù)效果明顯，但是與空氣和太陽光直接接觸，易造成損壞，但總體成本低于夾層氣凝膠玻璃。

圖4 二氧化硅氣凝膠玻璃

2.5 氣凝膠混凝土和砂漿

Fickler[21]等首先在水泥基體中嵌入二氧化硅氣凝膠顆粒的想法。隨后Ratke[22]提出了氣凝膠融入混凝土的新思路，新型的氣凝膠混凝土具有良好的保溫、防火、隔音等特殊性能。Mounir[23]等研究了納米顆粒的添加對漿料和水泥砂漿行為的影響，他們以水泥質(zhì)量的3%和10%的比例替代了無定形納米二氧化硅，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著納米二氧化硅用量的增加而增加，納米二氧化硅使水泥漿體變厚，加速了水泥水化過程。

Biricik[24]研究了納米二氧化硅（5%和10%）摻入砂漿中，發(fā)現(xiàn)含有納米二氧化硅的砂漿的抗彎強(qiáng)度的增加高于硅煙和粉煤灰的相應(yīng)試樣。Fickler[21]等人觀察了在高強(qiáng)度水泥基體中嵌入二氧化硅氣凝膠顆粒，在保持良好隔熱性能的同時，提高抗壓強(qiáng)度的效果。結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度在3.0～23.6MPa 范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)在0.16～0.37W/(m2·K)。Jittabut[25]提出了有關(guān)納米二氧化硅顆粒對抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)影響的研究，他的結(jié)論是：水泥中摻入4%～5%的納米二氧化硅是最合適的摻量，可提高抗壓強(qiáng)度和降低的導(dǎo)熱系數(shù)（0.42～0.57W/ (m2·K)）。

圖5 預(yù)制氣凝膠鋼筋混凝土夾心保溫墻板制造技術(shù)

Serina[26]等人研究了氣凝膠與保溫砂漿超高性能混凝土(I-UHPC)的結(jié)合。他們觀察到，加入50%體積分?jǐn)?shù)的氣凝膠時，最小的抗壓強(qiáng)度為20MPa，導(dǎo)熱系數(shù)約為0.55W/(m2·K)。然而，當(dāng)氣凝膠含量增加到80%的體積分?jǐn)?shù)時，特別是在較高的荷載下，樣品的機(jī)械強(qiáng)度有急劇下降。因此，水凝膠改性的UHPC 穩(wěn)定性可能不高，不適合作為一個獨(dú)立的系統(tǒng)。

通過以上學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，氣凝膠可摻入混凝土，調(diào)控混凝土的保溫、防火、防潮和隔音等性能，對于氣凝膠在混凝土中的后續(xù)研究和廣泛應(yīng)用有重要的參考意義。

3 結(jié)語

氣凝膠是目前表觀密度最低的固體材料，具有優(yōu)異的隔熱保溫性能。但是純的氣凝膠不能作為墻體材料，必須結(jié)合其他材料做成符合氣凝膠材料才能用作保溫墻體材料。本文綜述了國內(nèi)外近十年關(guān)于氣凝膠在墻體材料方面的研究，主要集中在氣凝膠墻板材料、新型氣凝膠絕緣涂料、氣凝膠玻璃和氣凝膠混凝土砂漿。氣凝膠復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)的保溫墻體材料，具有更優(yōu)異的保溫隔熱性能、密度小等，結(jié)合氣凝膠和傳統(tǒng)建筑材料的優(yōu)良性能，使得氣凝膠復(fù)合墻體材料可以更加廣泛的應(yīng)用在建筑保溫系統(tǒng)中。