建筑隔熱材料的制備及性能研究

王方雷

新疆國(guó)統(tǒng)管道股份有限公司 新疆 烏魯木齊 831407

引言

當(dāng)前，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，能源的消耗量不斷增加。其中，建筑能耗增長(zhǎng)壓力巨大，存在住房規(guī)模大、能耗高的現(xiàn)狀。根據(jù)《2018年中國(guó)建筑能源研究報(bào)告》，如果以2020年中國(guó)能源消費(fèi)為例，如圖所示，建筑總能耗為8.99億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)指標(biāo)的20.62%。其中，公共建筑能耗3.46億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占建筑能耗總量的38.53%。城市住宅能耗為3.39億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占建筑能耗總量的37.71%。農(nóng)村住宅用電量為2.14億噸條件煤，占建筑總用電量的23.76%。為了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，相關(guān)部門制定了一項(xiàng)減少碳排放的計(jì)劃。目前，我國(guó)的碳減排工作已進(jìn)入全面控制戰(zhàn)略階段，目標(biāo)是到2030年左右達(dá)到建筑物總能耗的峰值。為完成國(guó)家碳減排目標(biāo)并且基于可持續(xù)發(fā)展的要求，降低建筑的能耗勢(shì)在必行。

圖1 2020年中國(guó)能耗構(gòu)成

1 建筑隔熱材料

1.1 常見的建筑隔熱材料

建筑絕緣材料有很多種，其中最常見的是無(wú)機(jī)絕緣材料和有機(jī)絕緣材料。無(wú)機(jī)材料不易燃，有機(jī)材料具有吸水性低、耐水性好的特點(diǎn)。此外，在選擇建筑隔熱材料時(shí)，應(yīng)考慮原材料的廣泛可用性。建筑業(yè)常用的絕緣材料包括發(fā)膨脹蛭石、聚氨酯、鋁硅棉、礦棉等。

膨脹蛭石來源廣泛，價(jià)格低廉，隔熱性能高。聚氨酯是一種聚合物復(fù)合材料，常用于建筑、家居、生活用品生產(chǎn)等領(lǐng)域。硬聚氨酯塑料具有良好的隔熱和隔音性能。此外，由于聚氨酯具有良好的彈性，彈性體在其性能上介于塑料和橡膠之間，也被廣泛應(yīng)用于鞋類和醫(yī)療行業(yè)。

1.2 珍珠巖在隔熱

目前已經(jīng)有一些專家對(duì)珍珠巖在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。

康鵬等人采用真空浸漬法將硬脂酸（SA）和月桂酸（LA）低共熔混合物吸收到膨脹珍珠巖（EP）的孔中制備了一種用于墻板形態(tài)穩(wěn)定的復(fù)合相變材料（PCM），經(jīng)測(cè)試該復(fù)合材料可以作為建筑節(jié)能實(shí)際應(yīng)用中的高效保溫材料[1]。付路路等人制備了一種六水氯化鈣膨脹珍珠巖復(fù)合材料，與泡沫保溫磚相比，PCM磚作為試驗(yàn)房屋頂時(shí)，具有降低室內(nèi)最高溫度，使室內(nèi)溫度上升滯后的作用[2]。該復(fù)合材料具有良好的蓄熱保溫性能，適用于建筑節(jié)能。

阿里加勒比等人通過在EP / PA 復(fù)合材料表面沉積GO膜，制備出具有增強(qiáng)的導(dǎo)熱性和泄漏承載性能的膨脹珍珠巖/石蠟/氧化石墨烯（EP / PA / GO）的新型相變材料（PCM）。此外，阿里加勒比等人制備了復(fù)合新型相變材料（PCM），并測(cè)定了該材料的熱性能，分別為熱可靠性、熱導(dǎo)率，并發(fā)現(xiàn)該材料具有低導(dǎo)熱率和優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性能[3]。

布拉茲·斯庫(kù)比克等人采用1.8kW，2.45GHz微波源的多模微波加熱器，研究了含有膨脹珍珠巖和無(wú)機(jī)黏結(jié)劑的新型無(wú)機(jī)保溫板的微波干燥過程。同時(shí)，他們開發(fā)了一個(gè)3D非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并考慮微波能量指數(shù)衰減和微波腔內(nèi)不均勻功率分布的朗伯定律，進(jìn)行溫度和干燥速率的預(yù)測(cè)。此外，他們將規(guī)定粒度的膨脹珍珠巖和硅酸鈉溶液混合，并將混合物壓制成型，在微波腔中干燥成板，然后對(duì)干燥板進(jìn)行高溫?zé)崽幚韀4]。該研究[5]開發(fā)了基于有限差分的燒結(jié)行為預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并確定了新型膨脹珍珠巖基隔熱板的相應(yīng)燒結(jié)動(dòng)力學(xué)模型。

1.3 硅藻土隔熱

Kizelgur是一種硅巖，約80%~94%的SiO2由硅藻的殘余物組成。類似于蓮花，具有吸水性，它可以吸收2~4倍的水，與自身體積相比。因?yàn)檫@種特殊結(jié)構(gòu)，研究人員常常將硅藻土與其他材料復(fù)合，研究改性材料的性質(zhì)，硅藻土的改性研究在各個(gè)領(lǐng)域都有所涉及。

1.4 二氧化硅氣凝膠

氣凝膠又被稱為干凝膠，是指凝膠中的液體比固體少很多或者凝膠骨架中充滿氣體而外表是固體的物質(zhì)，具有納米級(jí)別的網(wǎng)格空隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)制備氣凝膠的材料種類的不同，可以分為有機(jī)、無(wú)機(jī)、復(fù)合三種氣凝膠。無(wú)機(jī)氣凝膠是具有較大比表面積、低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)和高孔隙率的輕質(zhì)材料，因此應(yīng)用廣泛，在工業(yè)民用、航天軍事方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，可以作為絕緣材料、保溫材料、防火材料、防水材料、減震材料、降噪材料使用。此外，在溶膠—凝膠體系下制備，通過將不同種類的前驅(qū)體溶液混合，也就是對(duì)氣凝膠進(jìn)行摻雜，能夠得到具有特定功能的復(fù)合氣凝膠。無(wú)機(jī)氣凝膠的代表之一是SiO2氣凝膠，它是一種硅材料在外面和空氣中的新型材料。SiO2氣凝膠具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低等的特點(diǎn)。由于SiO2氣凝膠中的毛孔會(huì)阻塞空氣，引起空氣中的零對(duì)流，因此可以有效地阻礙固體和氣體的導(dǎo)熱。

1.5 纖維素與氣凝膠

目前，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展、提高生態(tài)效率和改善工業(yè)生態(tài)環(huán)境的努力催生出一系列生物絕緣材料的發(fā)展，由于生物質(zhì)在地球上有著很廣泛的分布，且來源豐富，其成本也低下。因此，生物相容性和生物降解性都很高，屬于可再生資源，所以研究它們的性質(zhì)和應(yīng)用具有較大的價(jià)值。纖維素是其中的一種重點(diǎn)研究對(duì)象，纖維素作為一種廣泛存在于植物中的物質(zhì)，是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，是一種大分子多糖。但由于纖維素不溶于水和普通溶劑，柔韌性差，具有可燃性，導(dǎo)致它在一些領(lǐng)域的應(yīng)用受限。因此，人們逐漸開始研究由纖維素所制備出來的氣凝膠，在很多個(gè)研究中可知，纖維素氣凝膠提供了令人印象深刻的優(yōu)良性能，如低熱導(dǎo)率、低熱膨脹、高強(qiáng)度和彈性模量、生物相容性和可持續(xù)性。

2 改性珍珠巖和硅藻土隔熱性能研究

稀土是元素周期表中17種元素的總稱，由鑭系的15種元素及與鑭系密切相關(guān)的兩種元素釔（Y）和鈧（Sc）組成[6]。由于稀土在磁、光、電方面具有優(yōu)異的性能，僅需少量的稀土就能改進(jìn)產(chǎn)品的功能，稀土也被稱為“工業(yè)維生素”，在化工、陶瓷、催化、醫(yī)藥等方面都有廣泛的應(yīng)用。中國(guó)稀土儲(chǔ)量曾經(jīng)一度占世界總儲(chǔ)量的70%左右。但由于21世紀(jì)初前后大量出口，以及國(guó)內(nèi)稀土企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，壓低了稀土價(jià)格，釹、鋱、鏑、銪等寶貴的稀土短線產(chǎn)品被低價(jià)外銷，而鈰、鑭、釔等產(chǎn)品大量積壓。因?yàn)殁嫼丸|的價(jià)格相比于其他稀土元素低，所以研究人員常常利用這兩種稀土元素的化合物進(jìn)行復(fù)合材料的制備及改性。

目前，稀土在建筑隔熱材料中的應(yīng)用較少，因此，在珍珠巖和硅藻土中引入稀土材料，研究復(fù)合材料的隔熱性能，具有一定的創(chuàng)新性。本章采用浸漬法將Ce(NO3)3?6H2O或La(NO3)3?6H2O對(duì)珍珠巖和硅藻土按照不同的比例（5%和10%）進(jìn)行改性，然后對(duì)復(fù)合改性材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征與隔熱性能測(cè)試，研究其隔熱性能。

3 二氧化硅氣凝膠隔熱性能研究

SiO2氣凝膠具有密度小、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，是一種在眾多領(lǐng)域應(yīng)用的高性能產(chǎn)品，可以作為絕緣材料、防火材料、防水材料、減震材料、降噪材料使用，但是關(guān)于SiO2氣凝膠在建筑隔熱墻板方面的應(yīng)用的研究較少。

本節(jié)參考了朱東俊[7]論文中的方法，以硅酸四乙酯作為硅源，通過溶膠—凝膠法和真空冷凍干燥技術(shù)制備SiO2氣凝膠，通過結(jié)構(gòu)表征測(cè)試觀察SiO2氣凝膠的形貌結(jié)構(gòu)[7]。此外，將珍珠巖與制備的SiO2氣凝膠按照不同比例摻雜制成樣板，進(jìn)行隔熱性能實(shí)驗(yàn)，間接得到 SiO2氣凝膠的隔熱性能。

但由于SiO2氣凝膠脆性大、不易成型，在實(shí)驗(yàn)室的條件中只能制備40%含量的SiO2氣凝膠，未來研究方向主要是改進(jìn)壓板工藝，尋找更合適的黏結(jié)劑。

4 改性纖維素氣凝膠隔熱性能

纖維素作為一種植物中廣泛存在的物質(zhì)，具有良好的可再生性，但由于纖維素不溶于水以及一般的溶劑，柔順性很差，具有可燃性，限制了纖維素的應(yīng)用。因此，研究人員逐漸開始研究纖維素制備的氣凝膠，眾多研究結(jié)果表明，纖維素氣凝膠有很多優(yōu)良性能，如低熱導(dǎo)率，低熱膨脹，高強(qiáng)度和彈性模量，生物相容性和可持續(xù)性等。然而，纖維素氣凝膠仍然具有和纖維素一樣的缺點(diǎn)，即可燃性，這阻礙了它們?cè)谧枞几魺岱矫娴膽?yīng)用。在此基礎(chǔ)之上，降低該纖維素氣凝膠的可燃性，同時(shí)提高其隔熱性能成為目前主要的研究方向。有研究顯示復(fù)合材料比原材料更有優(yōu)異的隔熱性能[7]。

本節(jié)參考了朱東俊論文中的方法，將碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀這幾種無(wú)機(jī)化合物作為添加劑制備改性纖維素氣凝膠，并通過結(jié)構(gòu)表征測(cè)試和隔熱性能測(cè)試，挑選出其中隔熱性能最好的改性纖維素氣凝膠。然后將性能優(yōu)越的改性纖維素氣凝膠和SiO2氣凝膠以及珍珠巖制成復(fù)合樣板，研究其隔熱性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前很多的研究?jī)H停留在實(shí)驗(yàn)室階段，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的壓板設(shè)備采用的模具尺寸、壓強(qiáng)有限，還不能精準(zhǔn)掌握所制備樣板的強(qiáng)度、力學(xué)性質(zhì)，從而產(chǎn)生一定的誤差，因此，未來需要進(jìn)一步研究樣板的力學(xué)性質(zhì)并改進(jìn)。且單純的SiO2氣凝膠和纖維素氣凝膠脆性大、不易成型，在實(shí)驗(yàn)室的條件中只能制備含有少量氣凝膠的復(fù)合樣板，且制備周期較長(zhǎng)，大量生產(chǎn)比較耗時(shí)。因此，提高改善生產(chǎn)工藝、增強(qiáng)生產(chǎn)效率是未來的研究方向之所在。