氣凝膠材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

王康凡

（山西陽中新材有限責任公司，山西 陽泉 045200）

0 引言

氣凝膠材料主要是通過工藝制備獲得的新型材料，主要工藝有溶膠—凝膠、干燥等方法，制作出密度、折射率、熱導(dǎo)率低、空隙率較高的多孔材料。此類材料耐高溫性能優(yōu)越，因此在建筑領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。同時，材料制作周期和成本的可控性強，因此，可以替代傳統(tǒng)建材，研究此類材料在建筑節(jié)能、保溫等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊。

1 氣凝膠材料概述

氣凝膠材料屬于由超微粒子所組合制作而成的固體材料，有硅系型材料，有硫系型材料，還有碳系型材料。碳氣凝膠和SiO2氣凝膠較為常用，因為上述材料密度低、粒徑小，表面積和孔隙率較高，微觀骨架間隙在納米級別。因為氣凝膠當中的小氣孔規(guī)模龐大，尺寸均勻，材料導(dǎo)熱系數(shù)在0.013W/（m·K），要低于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，可以看出氣凝膠材料擁有保溫隔熱優(yōu)勢[1]。

2 氣凝膠材料的制備流程

氣凝膠材料屬于多孔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部填充膠體的輕質(zhì)材料，因此，外界環(huán)境溫度在25℃左右時，材料的熱導(dǎo)率不足0.018W/（m·K），材料的平均孔徑大小在10～20nm之間，材料密度介于0.06～0.18g·cm－3，最高耐熱溫度1600℃，材料耐火程度A，比表面積700m2·g，材料空隙率介于95%～99%之間。

西方國家通常將氣凝膠材料應(yīng)用于建材制造或航天材料制造等領(lǐng)域，還生產(chǎn)出用于商用的產(chǎn)品。我國在氣凝膠領(lǐng)域的相關(guān)研究雖然起步較晚，但是發(fā)展速度較快。無論是氣凝膠材料的制備，還是此類材料的性能檢測，又或者材料的開發(fā)應(yīng)用，都獲得諸多成果，總結(jié)諸多經(jīng)驗。研究人員利用無機鹽作為材料，使用溶膠凝膠方法，配合臨界干燥工藝，制作而成二氧化鈦氣凝膠。

氣凝膠材料合成階段，主要是經(jīng)歷“溶膠—凝膠”、干燥兩個步驟，添加前驅(qū)體，作為催化劑，獲得濕凝膠，之后經(jīng)過干燥步驟制備氣凝膠。

在“溶膠—凝膠”階段，主要經(jīng)歷三個步驟，轉(zhuǎn)變膠體溶液，使其變成無序、連續(xù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，溶液內(nèi)原料水解發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)以后，分子縮聚，溶液內(nèi)部會形成小粒子簇，若粒子數(shù)量逐漸增加，會變成大粒子簇，出現(xiàn)絡(luò)合反應(yīng)的現(xiàn)象，獲取凝膠。經(jīng)老化步驟后，凝膠之內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)經(jīng)過絡(luò)合反應(yīng)被黏結(jié)，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強，結(jié)果網(wǎng)絡(luò)逐漸變得更加粗壯，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更高。然后通過干燥處理，防止凝膠結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷問題，導(dǎo)致制備過程失敗。通常而言，老化階段需要利用乙醇溶液，在特定溫度環(huán)境之下，保持老化時間7d，根據(jù)老化要求對溶液進行更換[2]。

在凝膠老化以后，還需要采取干燥處理措施，之后才可獲得氣凝膠。當前，制備氣凝膠需要利用常壓干燥、超臨界干燥以及冷凍干燥等技術(shù)。其中長壓干燥的應(yīng)用需要對前驅(qū)體進行處理，之后讓材料具備疏水性，之后經(jīng)過加熱和升溫等工藝，來獲取氣凝膠；應(yīng)用超臨界干燥主要是轉(zhuǎn)化濕凝膠內(nèi)部需干燥介質(zhì)，使其處于超臨界狀態(tài)，降低其表面張力，使張力值為0，這樣凝膠結(jié)構(gòu)不但性能優(yōu)越，而且整體性好；運用冷凍干燥這一技術(shù)，通常是通過升華介質(zhì)的方式，讓凝膠處于干燥狀態(tài)。

通過上述工藝流程的運用，獲得氣凝膠材料，其物理性質(zhì)優(yōu)越，本質(zhì)原因是微觀結(jié)構(gòu)較為獨特。而材料微觀結(jié)構(gòu)和及制備過程工藝的運用息息相關(guān)，所以為了保證氣凝膠材料在建筑領(lǐng)域的高效運用，需要關(guān)注其制備工藝的改良，根據(jù)建材行業(yè)對此類材料的應(yīng)用需求，優(yōu)化改進，才能發(fā)揮材料應(yīng)用優(yōu)勢。

3 氣凝膠材料在現(xiàn)代化建筑中的應(yīng)用分析

3.1 氣凝膠玻璃

在建筑結(jié)構(gòu)當中，玻璃外窗最重要組成部分，窗體在建筑結(jié)構(gòu)當中既有通風和采光的功能，還能增強建筑美感，讓人員的居住體驗更好。實踐研究表明，窗體結(jié)構(gòu)損失的熱量占建筑熱量整體損失50%左右。以往建筑窗戶使用硅酸鹽玻璃，透光性、隔熱性相對較好，然而，無論是遮陽系數(shù)，還是導(dǎo)熱系數(shù)都相對較大，因此建筑仍然需要消耗大量能源。

利用氣凝膠材質(zhì)玻璃能夠改善傳統(tǒng)材料應(yīng)用存在的不足之處，因為此類材料熱學性能優(yōu)越，合理運用能夠降低室內(nèi)熱量向外部擴散，隔涼隔熱，提升透光性。研究人員利用室內(nèi)實驗，在雙層玻璃間填充此類材料，利用實驗儀器，測試玻璃板對太陽輻射、光照強度等。結(jié)果顯示，氣凝膠材料后，玻璃接收太陽輻射的趨勢無波動，室內(nèi)采光率也恒定，使用此類材料可以降低太陽輻射，讓材料散射輻射增加。實驗過程，可測量室內(nèi)光照度，按照《建筑采光的設(shè)計標準》來分析結(jié)果，采光系數(shù)需在15%，使用氣凝膠材料后，玻璃采光系數(shù)可超過20%，可見，此類材料不影響建筑采光效果。且使用此材料，建筑室內(nèi)不會受太陽直接輻射，所以和中空玻璃對比，室內(nèi)光線柔和度更好，能夠滿足人們保護眼睛的需求[3]。圖1是氣凝膠材料應(yīng)用以后太陽輻射、可見光透過量折線圖。

圖1 太陽輻射、可見光透過量折線圖

3.2 氣凝膠顆粒

氣凝膠顆粒主要指SiO2分子凝結(jié)而成的顆粒狀物質(zhì)，按照其性質(zhì)，可將其分為親水性顆粒，疏水性顆粒。這種材料可以采取一次成型的方法進行制備，還可以采取二次成型的方法制備，前者會利用催化劑甲酰胺，并且使用凝膠前驅(qū)體水玻璃，借助溶膠-凝膠的方法將材料制備出來，后者是先將凝膠顆粒制備出來，之后根據(jù)需要的尺寸，制備成大小不同的顆粒物質(zhì)。鮑爾運用上述技術(shù)制備出凝膠顆粒在1μm的材料，由于制備流程簡單，所以能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。生產(chǎn)過程對氣凝膠顆粒密度、大小等進行合理控制，將其添加到無機材料中，制作保溫砂漿，根據(jù)建筑墻體的外保溫施工需求，調(diào)制成不同比例，還可以作為墻體的填充材料，提高建筑保溫性能。

3.3 氣凝膠隔熱板

當前，建筑墻體主要利用PS和無機GF氈作為保溫材料，但是上述材料使用年限相對較短，還存在安全隱患。氣凝膠隔熱板（下文簡稱AIP）屬于新型隔熱材料，熱導(dǎo)率極低，且安全性能高，EPS和GF材料厚度在100μm，AIP材料的厚度在30μm。AIP隔熱板有如下幾種類型：①氣凝膠—纖維氈復(fù)合材料；②氣凝膠—纖維—三元遮光劑復(fù)合材料；③氣凝膠真空材料。

研究人員利用“溶膠—凝膠”的方法來進行氣溶膠制備，之后與GF氈進行混合，就能獲得復(fù)合凝膠，在表面改性、老化等處理以后，在運用常壓干燥這種技術(shù)，就能得到AIP絕熱材料。通過測試，上述技術(shù)具備的材料導(dǎo)熱系數(shù)0.0208W/（m·K），和EPS材料、GF材料相互對比，AIP材料性能更加優(yōu)越，材料性能對比參數(shù)如表1所示。

表1 不同隔熱材料性能參數(shù)對比

經(jīng)實驗，處于溫度升高環(huán)境之下，AIP材料達到最高溫度的時間相對較長，因此，和傳統(tǒng)的隔熱材料對比，AIP材料的低溫波動的控制效果最好。

3.4 氣凝膠混凝土

在現(xiàn)代化建筑當中，熱量損失為建筑主要能耗，所以建筑在施工期間，保溫、隔熱能力的提升十分重要。氣凝膠混凝土材料的隔熱性、保溫性都相對較好，和其他泡沫類混凝土材料對比，質(zhì)量更輕，所以在現(xiàn)代化建筑當中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)建筑行業(yè)，超絕緣材料大多選擇SiO2氣凝膠，在混凝土當中添加體積分數(shù)60%氣凝膠材料，就能得到導(dǎo)熱系數(shù)0.26W/（m·K），密度1000kg/m3材料。研究人員對于此類材料導(dǎo)熱系數(shù)、氣凝膠占比之間關(guān)系進行分析，從而制作出氣凝膠占比50%，導(dǎo)熱系數(shù)在0.55W/（m·K）的材料。但是上述保溫材料無論是導(dǎo)熱系數(shù)，還是密度都相對較高。如果向混凝土當中添加超絕緣類氣凝膠材料，可以將其導(dǎo)熱系數(shù)、密度等降低，但是使用效果遠遠不如加入泡沫。除此之外，如果氣凝膠加入量相對較高，還會增加成本，影響其工程化應(yīng)用。

研究人員將泡沫、氣凝膠同時向混凝土當中添加，制作三元氣凝膠泡沫混凝土材料，因為材料質(zhì)量本身較輕，顆粒具備支撐作用，所以氣凝膠混凝土在和其他類型泡沫混凝土的密度相同的時候，成型效果、強度等更加優(yōu)越，熱導(dǎo)率更低。

4 結(jié)語

總之，建筑領(lǐng)域傳統(tǒng)建材的應(yīng)用由于其密度高，且熱導(dǎo)率高，因此，可能出現(xiàn)使用壽命短、安全性能低這類問題，和當前建筑領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展與節(jié)能降耗方面要求不符，還會制約行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。因此，需要探索開發(fā)更多新型建材。氣凝膠材料擁有低密度，高孔隙率的特點，既耐高溫，又擁有良好的透光和隔熱優(yōu)勢，所以，在建筑行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。為了高效利用此材料，需要深入研究制備工藝，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用此類材料，改善建筑的耗能情況。