氣凝膠應(yīng)用于墻體保溫材料的研究進(jìn)展

趙建偉 尚陽(yáng) 崔杰

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗問(wèn)題越發(fā)凸顯，這與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不符。其中，建筑能耗是社會(huì)總能耗的重要組成部分之一，其占比達(dá)到46.5%以上。此外，我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求正在逐年提高，部分地區(qū)已開(kāi)始執(zhí)行《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（節(jié)能75%）》標(biāo)準(zhǔn)。2020年，習(xí)近平總書(shū)記提出“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)‘碳中和”。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，占全國(guó)碳排放比重50%以上的建筑行業(yè)，急需開(kāi)發(fā)出新型高效節(jié)能建筑材料，而新型墻體保溫材料的研究和開(kāi)發(fā)是降低建筑能耗的有效途徑。

目前，傳統(tǒng)的建筑墻體保溫材料主要分為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料2大類，常用的有機(jī)絕熱材料有聚苯乙烯泡沫（EPS）、擠塑聚苯乙烯板（XPS）、酚醛板（PF）、硬泡聚氨酯板（PU）等材料，存在防火性能差，難以達(dá)到A級(jí)防火，燃燒易產(chǎn)生毒氣的安全問(wèn)題[1—3]。常用無(wú)機(jī)絕熱材料有玻璃纖維、礦物棉、膨脹珍珠巖等，可防火阻燃，但存在防水性能差、自重高、導(dǎo)熱系數(shù)高等問(wèn)題[4]。因此研發(fā)兼具防火、保溫、輕質(zhì)等性能的新型高效節(jié)能墻體保溫材料至關(guān)重要。

氣凝膠是一種特殊的納米級(jí)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固體材料，以空氣為介質(zhì)，具有納米級(jí)孔洞，高孔隙率（80%～99.8%），低至3kg/m3的密度，高絕熱能力〔導(dǎo)熱系數(shù)為0.005W/（m·K），室溫〕，低折射率和低介電常數(shù)等特點(diǎn)[5]。優(yōu)異的特性使之在很多領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力，例如建筑節(jié)能、航空航天、爐窯保溫、能源、輸油管道、環(huán)保、太陽(yáng)能集熱等領(lǐng)域[6]。近年來(lái)，二氧化硅（S i O2）氣凝膠常壓干燥工業(yè)化生產(chǎn)工藝不斷成熟，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)化制備的氣凝膠性能不斷提升，已涌現(xiàn)出氣凝膠粉體、氈、涂料、玻璃等產(chǎn)品，為氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。因此，性能優(yōu)異的氣凝膠得到了相關(guān)研究人員的青睞，同時(shí)也推動(dòng)了氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用的深入研究。

2 氣凝膠墻體保溫材料研究進(jìn)展

2.1 氣凝膠保溫砂漿

傳統(tǒng)保溫砂漿存在密度大、保溫性能差的缺點(diǎn)，雖采用玻化微珠、膨脹珍珠巖等輕骨料作為保溫材料，但砂漿整體保溫效果不佳，導(dǎo)熱系數(shù)偏高[7]，將超低密度、導(dǎo)熱系數(shù)的氣凝膠與其他輕骨料結(jié)合使用，開(kāi)發(fā)質(zhì)輕、保溫效果好的砂漿成為新的研究熱點(diǎn)。

Kim等[8]按水泥質(zhì)量的2%添加氣凝膠時(shí)，結(jié)果表明，砂漿導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度高達(dá)75%，但力學(xué)性能損失嚴(yán)重，或與氣凝膠機(jī)械性能差的特性有關(guān)。

研究表明，將氣凝膠作為輕骨料單獨(dú)添加，絕熱能力有所提升，但會(huì)導(dǎo)致保溫砂漿的力學(xué)性能?chē)?yán)重?fù)p失。

封金財(cái)?shù)萚9]將硅氣凝膠與玻化微珠按不同體積比混合形成骨料，添加到水泥、粉煤灰、可再分散乳膠粉、聚丙烯纖維和甲基纖維素醚等材料混合形成的漿體中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣凝膠與?；⒅橐泽w積比為35%∶65%混合形成骨料，當(dāng)摻量占保溫砂漿總體積比為60%時(shí)，保溫砂漿的保溫性能和物理力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，表明氣凝膠取代部分玻化微珠，能夠提升砂漿的保溫性能，同時(shí)滿足力學(xué)性能要求。彭羅文等人[10]對(duì)SiO2氣凝膠/?；⒅楸厣皾{性能影響因素進(jìn)行了研究，其中當(dāng)氣凝膠與玻化微珠的體積比增大時(shí)，保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢(shì)，與氣凝膠具有超低導(dǎo)熱系數(shù)的性能一致。

韓金光等[11]采用真空吸入法使液溶膠吸入膨脹珍珠巖，經(jīng)老化、疏水改性、常壓干燥后，得到氣凝膠改性珍珠巖骨料，制出砂漿的抗壓強(qiáng)度和吸水率明顯優(yōu)于珍珠巖砂漿，導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于?；⒅楸厣皾{。梅陽(yáng)等人[12]將溶膠真空吸附到膨脹珍珠巖的內(nèi)部孔隙中，經(jīng)凝膠老化、疏水改性和常壓干燥制備出膨脹珍珠巖/SiO2氣凝膠復(fù)合保溫材料。經(jīng)測(cè)試，膨脹珍珠巖/SiO2氣凝膠（TEOS為硅源）復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.038W/（m·K），降低了24%，膨脹珍珠巖/SiO2氣凝膠（混合硅源）復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.036W/（m·K），降低了28%。

由于氣凝膠密度小、疏水性強(qiáng)，在氣凝膠添加過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)飛粉及相容性差的問(wèn)題，因此，有研究人員通過(guò)氣凝膠改性的方式解決該問(wèn)題。劉朝輝等人[13]利用硅烷偶聯(lián)劑KH550改性SiO2氣凝膠，增加與無(wú)機(jī)膠凝材料的相容性，采用等體積法替換砂漿中的沙，制備SiO2氣凝膠砂漿，導(dǎo)熱系數(shù)從0.6039W/（m·K）降至0.2248W/（m·K）。

經(jīng)研究，表明將氣凝膠與其它保溫砂漿骨料進(jìn)行復(fù)合，在滿足力學(xué)性能基礎(chǔ)上，可降低傳統(tǒng)保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)和密度。

2.2 氣凝膠復(fù)合保溫板/氈

孫智等[14]分別以新型氣凝膠隔熱材料（SiO2氣凝膠/玻璃纖維復(fù)合氈）與4種常用隔熱材料（如模塑聚苯板、擠塑聚苯板、聚氨酯泡沫板、玻璃纖維氈等）為保溫層，采用小尺寸測(cè)試盒。結(jié)果表明，氣凝膠絕熱板對(duì)溫度波的延遲和隔熱性能均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)隔熱材料。

鐘支葵等[15]進(jìn)行了硅酸鋁纖維氣凝膠復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火性能研究，使用硅酸鋁纖維氣凝膠復(fù)合材料，進(jìn)行了1h鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)測(cè)試，3mm、6mm和12mm厚的防火保護(hù)材料對(duì)應(yīng)的鋼板側(cè)溫度分別為121.6℃、96.2℃和78.2℃，遠(yuǎn)低于鋼板軟化溫度（550℃），表明硅酸鋁纖維氣凝膠復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有良好的防火性能。

趙誠(chéng)斌等[16]采用懸浮聚合法，在制備聚苯乙烯顆粒的過(guò)程中，添加SiO2氣凝膠，合成核殼結(jié)構(gòu)的SiO2氣凝膠與聚苯乙烯復(fù)合可發(fā)性珠粒，形成氣凝膠/聚苯乙烯復(fù)合板材。結(jié)果表明導(dǎo)熱系數(shù)降低，氣凝膠添加量為1.6%～2.0%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)由純聚苯乙烯板的0.043W/（m·K）降為0.0248W/（m·K），并提升了保溫板阻燃性能。

杜柯等[17]以蜂窩結(jié)構(gòu)聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）板為支撐結(jié)構(gòu)，在不同孔隙率的蜂窩板中添加氣凝膠，制備出氣凝膠蜂窩保溫絕熱板。經(jīng)測(cè)試，導(dǎo)熱系數(shù)比未添加氣凝膠的XPS板降低19.6%～27.6%，提升了傳統(tǒng)XPS板保溫效果。

經(jīng)研究表明，利用氣凝膠制備復(fù)合板材，能夠有效降低導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)提升防火性能。

2.3 氣凝膠真空絕熱板

氣凝膠真空絕熱板（HVIP）是采用納米孔超級(jí)絕熱材料（納米氣凝膠、納米氣相二氧化硅）作為芯材，產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求為達(dá)到0.006W/（m·K）以下，達(dá)到了普通XPS板的7倍左右，擁有十分突出絕熱性能[18]。

梁玉瑩等[19，20]采用常壓干燥和抽真空工藝制備了氣凝膠復(fù)合材料真空絕熱板，基于理論計(jì)算模型，研究了氣凝膠密度、纖維含量與熱導(dǎo)率之間的關(guān)系，氣凝膠復(fù)合材料真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.0035W/（m·K）。同時(shí)，由于真空絕熱板在建筑應(yīng)用過(guò)程中內(nèi)部氣體壓力和水蒸氣含量增加，導(dǎo)致隔熱性能降低，使用壽命縮短，僅為5～25年，基于理論計(jì)算模型，繼續(xù)開(kāi)展了氣凝膠密度、纖維含量對(duì)熱導(dǎo)率、隔熱厚度和使用壽命的影響規(guī)律的研究，預(yù)測(cè)獲得了滿足建筑用真空絕熱板的氣凝膠密度和纖維含量的范圍，能夠達(dá)到滿足使用壽命大于50年的目標(biāo)。

2.4 氣凝膠泡沫混凝土

泡沫混凝土是一種多孔輕質(zhì)混凝土，通過(guò)一定的工藝將水泥、礦物摻合料、外加劑、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑按配比制備而成[21]，具有防火阻燃、輕質(zhì)、保溫效果好、吸音降噪、抗震等優(yōu)點(diǎn)[22，23]，但存在導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)大，低密度低導(dǎo)熱率時(shí)成型易塌陷等問(wèn)題。針對(duì)泡沫混凝土存在的問(wèn)題，有科研人員已經(jīng)利用氣凝膠優(yōu)異的特性，開(kāi)展了氣凝膠發(fā)泡混凝土的研究工作，在滿足發(fā)泡混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，希望進(jìn)一步提升保溫隔熱效果。

劉朋等[24]通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了發(fā)泡劑、SiO2氣凝膠、纖維摻量及水膠比等4因素對(duì)泡沫混凝土的性能影響，制備氣凝膠發(fā)泡混凝土，干密度為673.12kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.162W/（m·K）、抗壓強(qiáng)度為4.12MPa，能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

趙同義等[25]通過(guò)控制SiO2氣凝膠摻量進(jìn)行了氣凝膠泡沫混凝土的研究。結(jié)果表明，SiO2氣凝膠的摻入能夠降低泡沫混凝土的體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)，明顯提升泡沫混凝土的熱工性能。

付平等[26]研究制備了一種新型超輕質(zhì)纖維/氣凝膠泡沫混凝土，以玻璃纖維為增強(qiáng)體，提升了整體成型性能，在制備工藝中起到了關(guān)鍵作用。研究表明，與普通泡沫混凝土相比，導(dǎo)熱系數(shù)從0.08～0.25W/（m·K）降至0.058W/（m·K），密度從300～1600kg/m3降至205kg/m3，性能顯著提升。同時(shí)，抗壓強(qiáng)度滿足泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求。

李朋威等[27]成功地制備了一種具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的新型氣凝膠泡沫混凝土，經(jīng)測(cè)試，密度最小可達(dá)198 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)最小可達(dá)0.049W/（m·K），并且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)強(qiáng)度，遠(yuǎn)低于普通泡沫混凝土的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。

研究表明，經(jīng)氣凝膠復(fù)合制備的氣凝膠發(fā)泡混凝土可以明顯降低輕質(zhì)泡沫混凝土密度和導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)滿足力學(xué)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠解決低密度低導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)成型易塌陷的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

氣凝膠應(yīng)用于建筑墻體保溫材料的主要形式包括氣凝膠保溫砂漿、氣凝膠絕熱板/氈、氣凝膠真空絕熱板、氣凝膠泡沫混凝土等，由于氣凝膠具有防火、防水、輕質(zhì)、吸音、隔熱等一系列優(yōu)異的性能，是適用于高效節(jié)能建筑的理想材料。研究表明，應(yīng)用于建筑墻體保溫材料，能夠有效提升保溫隔熱能力，降低密度，改善防火能力。但氣凝膠存在力學(xué)性能差的缺陷，單獨(dú)使用存在困難，因此，不能完全替代傳統(tǒng)保溫材料，多采用與傳統(tǒng)保溫材料復(fù)合的方式，開(kāi)發(fā)出新型墻體保溫材料，以滿足力學(xué)性能的要求。

在建筑節(jié)能迫切發(fā)展的需求下，采取一定的工藝，將氣凝膠與傳統(tǒng)墻體保溫材料復(fù)合，研究開(kāi)發(fā)應(yīng)用于建筑墻體的氣凝膠復(fù)合保溫材料將是未來(lái)建筑節(jié)能發(fā)展的重要方向。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.011

參考文獻(xiàn)

[1] Schiavoni S，Alessandro D F，Bianchi F，et al.Insulation materials for the building sector：A review and comparative analysis[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，62：988—1011.

[2] Jelle B P.Traditional，state-of-the-art and future thermal building insulation materials and solutionsProperties，requirements and possibilities[J].Energy and Buildings，2011，43（10）：2549—2563.

[3] 王巖，王祎瑋，白錫慶，等.墻體保溫材料的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].天津建設(shè)科技，2017，27（01）：1—3，11.

[4] 張廣鵬，吳會(huì)軍，劉彥辰，等.氧化硅氣凝膠絕熱材料及其建筑減碳應(yīng)用[EB/OL].（2021-03-04）.https：//kns.cnki.net/ kcms/detail/detail.aspx dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=WJYG20210303000&v=FkiblUA8T4YI3BxWmCHueEqx 0LQ7lAXrw%25mmd2BCXmEM52AVyNHeCIVYPG%25mmd2FlXtexCMRmx.

[5] Dorcheh A S，Abbasi M H.Silica aerogel；synthesis，properties and characterization[J].Journal of Materials Processing Technology， 2008，199（1—3）：10—26.

[6] 郭建平，路國(guó)忠，何光明.納米二氧化硅氣凝膠新型制備技術(shù)及其在建材領(lǐng)域的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2012（4）：30—34.

[7] 邱小華，徐清.淺談無(wú)機(jī)保溫砂漿及發(fā)展趨勢(shì)[J].建筑節(jié)能，2007（10）：39—41.

[8] Kim S，Seo J，Cha J，et al.Chemical retreating for gel-typed aerogel and insulation performance of cement containing aerogel [J].Construction&，Building Materials，2013，40（3）：501—505.

[9] 封金財(cái)，王怡人，耿犟，等.骨料級(jí)配及摻量對(duì)硅氣凝膠-?；⒅閺?fù)合保溫砂漿性能影響的試驗(yàn)研究[J].混凝土，2018（4）：110—114.

[10] 彭羅文，艾明星，石永，等.影響二氧化硅氣凝膠/?；⒅楸厣皾{性能的因素[J].新型建筑材料，2018，45（7）：64—67.

[11] 韓金光，李珠，賈冠華.膨脹珍珠巖的納米氣凝膠改性及其應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（12）：136—140.

[12] 梅陽(yáng).膨脹珍珠巖/SiO2氣凝膠復(fù)合保溫材料制備研究[D].信陽(yáng)師范學(xué)院，2017.

[13] 劉朝輝，丁逸棟，王飛，等.KH550改性SiO2氣凝膠及其摻雜對(duì)砂漿性能的研究[J].裝備環(huán)境工程，2017，14（1）：71—77.

[14] 孫智，吳會(huì)軍，楊建明，等.建筑墻體用氣凝膠絕熱板的隔熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，2019，35（4）：10—14，75.

[15] 鐘支葵.硅酸鋁纖維氣凝膠復(fù)合材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火性能研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2017.

[16] 趙誠(chéng)斌.阻燃聚苯乙烯/硅氣凝膠核殼珠粒的合成與復(fù)合保溫板制備研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[17] 杜柯，翁旭嘉，李煜丹，等.氣凝膠蜂窩板保溫材料的制備及性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（6）：83—86，95.

[18] 高軍.HVIP氣凝膠真空絕熱板用于低能耗建筑的分享與探究[J].建設(shè)科技，2018（11）：61—62，66.

[19] 梁玉瑩，吳會(huì)軍，楊建明，等.氣凝膠復(fù)合材料真空絕熱板的熱導(dǎo)率計(jì)算及優(yōu)化[J].材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（12）：2112—2117.

[20] 梁玉瑩.氣凝膠真空絕熱板的隔熱性能和壽命研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2018.

[21] 張鳴，陳令坤，張?jiān)骑w.摻和料對(duì)化學(xué)法泡沫混凝土性能的影響[J].新型建筑材料，2014（7）：79—81.

[22] 李應(yīng)權(quán)，徐洛屹，王明軒，等.A級(jí)防火泡沫混凝土保溫板[J].新型建筑材料，2012（2）：69—71.

[23] 李龍珠，夏勇濤，劉文斌，等.泡沫混凝土的正交試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2010，29（6）：1497—1500.

[24] 劉朋，龔延風(fēng)，田國(guó)華，等.輕質(zhì)氣凝膠泡沫混凝土配合比試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2020，47（10）：132—135，168.

[25] 趙同義，張啟志.SiO2氣凝膠對(duì)泡沫混凝土性能的影響[J].新型建筑材料，2018，45（9）：144—147，154.

[26] 付平，植可煒，黃茶，等.纖維/氣凝膠泡沫混凝土的制備與性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2019，38（9）：2701—2706.

[27] 李朋威.新型超輕隔熱氣凝膠泡沫混凝土的制備、建模與優(yōu)化[D].廣州：廣州大學(xué)，2019.