SiO2氣凝膠在墻體保溫材料中的應(yīng)用

□□ 張維中，孔令寒

(1.山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001；2.山西省建筑設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030013)

引言

2020年9月，我國提出了碳中和的目標，力爭在2030年達到碳峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，節(jié)能減排已經(jīng)成為大趨勢。建筑能耗是社會總能耗的重要組成部分，占比達到46.5%以上，墻體保溫材料的使用可以大大減少建筑能耗，因此，節(jié)能高效的建筑保溫材料已成為人們研究的重點。

目前主要的墻體保溫材料分為有機類和無機類。其中有機類保溫材料，如模塑聚苯乙烯泡沫塑料板、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板、酚醛板等，這類保溫材料導熱系數(shù)小、密度小，但是防火性能差；無機保溫材料如巖棉、玻璃棉等，這類材料防火等級可以達到不燃級別，但是它們導熱系數(shù)偏高，自重偏大。因此，生產(chǎn)一種導熱系數(shù)小的不燃性建筑保溫材料是當前建筑的迫切需求。

氣凝膠是一種新型無機保溫材料，它是目前世界上最輕的固體，具有高的孔隙率，達到99%以上，25 ℃時的導熱系數(shù)可以達到0.013 W·m-1·K-1，具有極好的保溫隔熱性能；并且防火性能好，為A級材料，目前常見的幾種保溫材料的性能見表1[1]。由于其優(yōu)異的性能，SiO2氣凝膠已經(jīng)在保溫隔熱、吸附、催化、光電等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。在建筑領(lǐng)域，當前的研究主要集中在SiO2氣凝膠制備以及SiO2氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

表1 各種保溫材料的性能[1]

1 SiO2氣凝膠制備研究進展

SiO2氣凝膠的合成主要分為三個過程，即凝膠的制備、凝膠的陳化和表面處理、凝膠的干燥。美國科學家Kistler在1931年以硅酸鈉為原料使用超臨界干燥法首次制備，但是該方法由于工藝繁瑣、耗時、成本高，未能大規(guī)模推廣，在之后的幾十年里，研究者們通過改變制備SiO2氣凝膠的硅源、改善凝膠制備工藝、改進凝膠的干燥技術(shù)來降低SiO2氣凝膠的成本以達到大規(guī)模的應(yīng)用。

當前常用的硅源主要有單一硅源和復合硅源兩種[2]。王明銘等[3]以SiO2含量>50%的高硅粉煤灰為單一硅源，采用多酸一步催化、常溫常壓干燥法制備出導熱系數(shù)為0.023 W·m-1·K-1，且具有優(yōu)異疏水性能和保溫性能的SiO2氣凝膠。陳宇卓等[4]以甲基三甲氧基硅烷和水玻璃為硅源，通過共前驅(qū)體混合,常壓干燥條件下制備得到疏水的SiO2氣凝膠。通過研究發(fā)現(xiàn)混合前驅(qū)體中的乙醇、甲基三甲氧基硅烷、水玻璃的摩爾比為12∶3∶1時,制備的改性SiO2氣凝膠具有良好的物理性能。

SiO2氣凝膠的干燥方式以常溫常壓干燥與超臨界干燥為主。李建平等[5]以正硅酸乙酯為硅源，采用CO2超臨界干燥工藝制備SiO2氣凝膠復合材料，通過研究不同超臨界干燥工藝發(fā)現(xiàn)超臨界CO2萃取干燥工藝制備的產(chǎn)品保溫性優(yōu)于液態(tài)CO2置換干燥工藝，且工藝更簡單。超臨界干燥法制備的氣凝膠孔徑結(jié)構(gòu)完整，性能優(yōu)越，但是其工藝條件嚴苛，設(shè)備昂貴，工藝周期長，因而常溫常壓的制備工藝受到人們的關(guān)注。姚鵬[6]以正硅酸乙酯為硅源常溫常壓干燥下制備得到SiO2氣凝膠,其比表面積、保溫性和疏水性等性能均有較好的表現(xiàn)，與超臨界干燥法制備成品基本一致，可以達到使用要求。

SiO2氣凝膠制備工藝也受到人們的關(guān)注。萬郁楠等[7]以水玻璃為硅源采用溶膠凝膠-常溫常壓法制備SiO2氣凝膠，并研究了水玻璃與水的比例、硅酸的pH、改性溶劑的比例和干燥條件對合成氣凝膠的影響，得到了最佳的制備工藝。包志康[8]通過控制不同的工藝變量：硅源、原料配比、催化劑、后處理條件和干燥溫度，并對制得的不同氣凝膠進行表征得到性能最優(yōu)的材料。該氣凝膠比表面積達到851.7 m2·g-1，密度為0.13 g·m-3，導熱系數(shù)為0.016 3 W·m-1·K-1。

綜上可看出，制備SiO2氣凝膠的硅源廉價，采用的常溫常壓干燥工藝操作簡單、成本低廉，但工藝不成熟，產(chǎn)品性能較差。我國對氣凝膠材料的研究還沒有取得突破性的進展，因此，掌握隔熱性能優(yōu)越的氣凝膠低成本制備技術(shù)仍迫在眉睫。

雖然氣凝膠在防火、保溫方面有著巨大的優(yōu)勢，但是純的SiO2氣凝膠力學強度低，這影響著它在節(jié)能保溫領(lǐng)域的大規(guī)模使用。近些年來，大量的研究者通過將氣凝膠材料添加到其他保溫材料中，以此制得性能優(yōu)異的保溫材料。

2 氣凝膠保溫材料研究進展

2.1 氣凝膠保溫砂漿

萬郁楠[9]通過將SiO2硅氣凝膠添加到膠粉聚苯顆粒保溫砂漿中來提升保溫砂漿的保溫性能和防火性能，當SiO2硅氣凝膠添加量為3%時，保溫砂漿導熱系數(shù)減小25%，此時的綜合性能最優(yōu)。錢耀麗[10]利用憎水性氣凝膠取代保溫砂漿中的輕骨料，可使保溫砂漿的導熱系數(shù)降低，最小低至0.036 W·m-1·K-1，而材料的干密度和抗壓強度不受影響。

2.2 氣凝膠復合保溫板/氈

徐志強[11]將SiO2氣凝膠與纖維氈復合得到了氣凝膠-纖維復合保溫板。該復合板成本低，抗折強度高達1.5 MPa,且導熱系數(shù)達到0.036 W·m-1·K-1，且具有優(yōu)異的疏水性能和防火性能。杜柯等[12]以蜂窩聚苯乙烯泡沫塑料板為支撐制備了氣凝膠蜂窩板，其導熱系數(shù)隨著孔隙率的增加而增大，與相同尺寸的擠塑板相比，導熱系數(shù)可降低27.6%，具有更加優(yōu)異的隔熱保溫性能。蔣頌敏[13]以硅酸鋁纖維為骨架支撐材料，采用溶膠-凝膠的方法制備得到復合保溫材料。通過探究纖維增加量的影響，發(fā)現(xiàn)纖維增加量與材料的力學強度和絕熱效果密切相關(guān)，隨著纖維用量的增大，材料的壓縮強度先增大后減小，拉伸強度逐漸增大，熱導率則是先降低后略微升高。

2.3 氣凝膠混凝土

付平等[14]以氣凝膠為填充材料，以機械發(fā)泡的方法制備了高性能泡沫混凝土。通過研究發(fā)現(xiàn)，氣凝膠的加入降低了混凝土的導熱系數(shù)、密度以及體積吸水率。當氣凝膠的體積含量為20%時，氣凝膠混凝土的密度降至512 kg·m-3，導熱系數(shù)降至0.121 W·m-1·K-1，體積吸水率降低為32.2%，性能得到很大的改善。李朋威等[15]以氣凝膠為填料制備了新型氣凝膠泡沫混凝土，與普通泡沫混凝土相比，氣凝膠的加入大大降低了其密度與導熱系數(shù)，性能得到改善。除此之外，氣凝膠玻璃、氣凝膠涂料等也受到人們的廣泛關(guān)注。

3 結(jié)語

SiO2氣凝膠是一種優(yōu)異的材料，其優(yōu)異的保溫隔熱性能、疏水性能和防火性能受到人們的關(guān)注。當前我國氣凝膠產(chǎn)業(yè)正逐步發(fā)展，涌現(xiàn)出了一批廠家，他們在SiO2氣凝膠的研發(fā)制備與應(yīng)用中已經(jīng)有了較成熟的技術(shù)，但是降低制備成本，提高材料性能，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用仍然是當前的研究重點。