氣凝膠在節(jié)能建筑的運用
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摘要：氣凝膠材料具有密度小、導熱系數(shù)低等優(yōu)勢，可應用于制備氣凝膠玻璃、氣凝膠保溫氈和板、氣凝膠真空絕熱板、氣凝膠砂漿和混凝土、氣凝膠混凝土復合墻體材料等，是節(jié)能建筑的理想保溫材料，能夠顯著降低建筑物能耗。本文綜述氣凝膠材料在建筑節(jié)能領域的應用形式及應用效果，提出對氣凝膠材料進行復合改性將成為其在建筑節(jié)能領域應用的主要方向。
關鍵詞：氣凝膠；導熱系數(shù)；節(jié)能氣凝膠
作為一種新型納米材料，具有多孔網(wǎng)絡骨架結(jié)構(gòu)，孔洞率在80%以上，是世界最輕的固體，具有較好的保溫隔熱性能和防火性能，見圖1。按組成成分可將其分為有機氣凝膠（導電高分子氣凝膠、酚醛樹脂氣凝膠等）、無機氣凝膠（SiO2氣凝膠）和炭氣凝膠（碳納米管氣凝膠、石墨烯氣凝膠等）3大類。美國斯坦福大學Kistler教授于1931年以硅酸鈉為硅源制備水凝膠，采用超臨界干燥方法制備出了SiO2氣凝膠[1]，但當時制備出的SiO2氣凝膠制造成本昂貴，且機械強度差，僅能用于科學研究中，無圖3氣凝膠氈圖2氣凝膠玻璃法進行工業(yè)生產(chǎn)，發(fā)展速度較慢[2]。到20世紀80年代末，氣凝膠主要應用于航空航天、石油煉化開采、軍工等尖端高科技領域。進入21世紀以來，尤其是近十年，氣凝膠材料因其優(yōu)異的防火、隔熱性能開始應用于建筑節(jié)能領域。目前，建筑行業(yè)對氣凝膠的應用形式主要有SiO2氣凝膠玻璃、SiO2氣凝膠保溫板、SiO2氣凝膠纖維復合材料等。中南大學研制了新型超級節(jié)能氣凝膠玻璃，用作建筑門窗，可大幅度降低建筑供暖及制冷能耗。同濟大學研發(fā)出了氣凝膠保溫板/氈，當該材料用于建筑外墻、管道等保溫隔熱時，其保溫效果為傳統(tǒng)保溫材料的4倍~6倍，并且防火性能、機械強度等方面都好于傳統(tǒng)保溫材料[3]。
1氣凝膠節(jié)能材料
單一的氣凝膠存在機械強度低的缺陷，為了取得更好的機械性能，可采用纖維增強進行改進[4]。高文杰等[5]采用聚酰亞胺纖維增強SiO2氣凝膠，制備出低密度、高比表面積的氣凝膠，具有優(yōu)異的保溫隔熱性能、壓縮性能及熱穩(wěn)定性。當聚酰亞胺纖維含量為3%時，氣凝膠的密度為0.13g/cm3，比表面積高達997m2/g，常溫下導熱系數(shù)為0.0291W/（m•K），抗壓強度為0.21MPa。董志軍等[6]制備出莫來石纖維增強的SiO2氣凝膠，該產(chǎn)品大大增強了氣凝膠的機械強度。由此可見，對氣凝膠材料進行增強復合處理研究，可以一定程度上彌補氣凝膠材料的缺陷，得到性能優(yōu)良的氣凝膠節(jié)能材料。
2氣凝膠在節(jié)能建筑領域的應用
氣凝膠具有密度低、保溫隔熱性能好，同時兼具防火、隔音、透明度高、耐腐蝕老化等優(yōu)點，近些年在建筑節(jié)能領域中有一定的應用，主要形式有氣凝膠板/氈、氣凝膠玻璃、氣凝膠真空絕熱板、氣凝膠混凝土和砂漿、氣凝膠混凝土復合墻體材料等。2.1氣凝膠玻璃。氣凝膠玻璃是通過中空玻璃、真空玻璃、夾層玻璃等來降低玻璃的傳熱系數(shù)，且具有降噪效果，見圖2。鄭思倩[7]利用Matlab軟件模擬了氣凝膠玻璃的節(jié)能性，結(jié)果表明在夏熱冬冷地區(qū)，夏季氣凝膠玻璃有效阻隔了太陽的熱輻射，降低熱量損失約20%，冬季氣凝膠玻璃阻隔了室內(nèi)溫暖空氣的熱量損失約40%，節(jié)能效果顯著。王珊[8]以正硅酸乙酯為原料，通過縮聚反應制備出SiO2氣凝膠，將其填充到不同空腔厚度的中空玻璃中。研究表明，粒徑較小的氣凝膠顆粒，增大了填充密實度，降低了顆粒之間的空氣含量，有效降低熱量的傳遞效率。當平均粒徑為0.41mm時，填充密度為1.022g/cm3，平均粒徑為0.93mm時，填充密度為0.979g/cm3，導熱系數(shù)為0.26W/（m•K）。通過對該氣凝膠玻璃進行能耗模擬計算，年耗能量相比傳統(tǒng)中空玻璃可降低約10%。2.2氣凝膠保溫氈。/板氣凝膠材料由于其強度低、脆性大，限制了其使用范圍。氣凝膠保溫板/氈是將氣凝膠與有機聚合物、纖維增強材料等進行復合，制備得到的剛性/柔性保溫材料，見圖3。陳雁濤[9]采用聚偏氟乙烯（PVDF）制得微米顆粒、微納米纖維和微米顆粒/微納米纖維作為氣凝膠的增強劑，制備出不同結(jié)構(gòu)的增強氣凝膠復合材料，即氣凝膠柔性保溫氈。使用導熱系數(shù)測定儀測得微納米纖維/氣凝膠復合材料的導熱系數(shù)更低，這主要是因為PVDF纖維之間互相搭接，形成彎曲復雜的狹窄通道，阻隔了熱量的傳遞，加入更少量的纖維即可得到具有較好機械性能的氣凝膠氈，用作建筑外墻保溫材料，可實現(xiàn)較好的建筑節(jié)能效果。趙誠斌[10]采用懸浮聚合的生產(chǎn)工藝，將SiO2氣凝膠顆粒加入聚苯乙烯顆粒的成型過程中，制得氣凝膠改性的聚苯乙烯保溫板（EPS板）。測試結(jié)果顯示，隨著氣凝膠加入量的增加，導熱系數(shù)呈下降趨勢，當氣凝膠加入量為1.6%～2.0%時，導熱系數(shù)由純聚苯乙烯板的0.043W/（m•K）降為0.0248W/（m•K），SiO2氣凝膠分布于聚苯乙烯泡的孔壁上，有效阻隔了熱量的傳遞，同時其燃燒性能得到了改善，提高了保溫板的燃燒性能等級。2.3氣凝膠真空絕熱板。氣凝膠真空絕熱板是采用納米孔超級絕熱材料（納米氣凝膠、納米氣相SiO2）作為芯材，加入吸氣劑，采用膜材包裹而成。芯材的作用是為了保證絕熱板的強度，膜材是為了保證其內(nèi)部的真空度，吸氣劑是為了吸除真空封裝時混入的氣體以及長期使用滲入的氣體[11]。氣凝膠真空絕熱板之所以具有優(yōu)異的保溫隔熱性能，是由于其在真空絕熱的基礎上采用低導熱系數(shù)芯材以降低固體熱傳導，同時用干燥劑和吸氣劑吸附芯材中的氣體和水汽來降低氣體的熱傳導，高性能膜材也可起到降低熱輻射作用，進而完成高效保溫節(jié)能的要求。與傳統(tǒng)保溫材料（EPS板、巖棉等）相比，達到相同傳熱系數(shù)情況下，其厚度僅為傳統(tǒng)保溫材料厚度的1/4～1/6。2.4氣凝膠砂漿和混凝土。傳統(tǒng)的砂漿和混凝土密度大、導熱系數(shù)較大，很難滿足高標準節(jié)能建筑保溫要求。將超低導熱系數(shù)的氣凝膠材料加入傳統(tǒng)的砂漿和混凝土中，可很大程度上彌補傳統(tǒng)砂漿和混凝土導熱系數(shù)較大的缺陷。彭羅文等[12]針對SiO2氣凝膠和玻化微珠的添加順序?qū)Ρ厣皾{性能的影響進行了研究。研究結(jié)果顯示，先將SiO2氣凝膠與漿料混合均勻后再加入?；⒅橹频玫谋厣皾{干密度為238kg/m3，導熱系數(shù)為0.071W/（m•K），這主要是受SiO2氣凝膠和?；⒅閷Ρ厣皾{的稠度影響。李朋威等[13]以超級隔熱氣凝膠為填料，使用預制泡沫混合法制備了新型氣凝膠泡沫混凝土，并對其物理性能和導熱系數(shù)進行了測試。測試結(jié)果表明，氣凝膠泡沫混凝土的密度和導熱系數(shù)明顯降低，在相同密度等級下抗壓強度高于普通泡沫混凝土。當氣凝膠添加量為13.0kg/m3，泡沫加入量為70vol%時，氣凝膠泡沫混凝土的密度為270.2kg/m3、導熱系數(shù)為0.069W/（m•K）。付平等[14]對氣凝膠含量對泡沫混凝土孔徑的影響進行了研究。研究結(jié)果表明，隨著氣凝膠體積含量增大，泡沫混凝土內(nèi)＜100μm的小孔含量減少，而＞300μm的中孔和大孔含量增加，當氣凝膠體積含量為20%時，小孔的氣孔百分比從72.5%降至61.8%，中孔和大孔的氣孔百分比從3.4%升至9.8%，雖然平均孔徑增加，但孔隙率卻逐漸降低。2.5氣凝膠混凝土復合墻體材料氣凝膠混凝土復合墻體是以經(jīng)氣凝膠填充改性的輕質(zhì)骨料作為骨料制備的輕質(zhì)保溫墻體材料。王亮等[15]將氣凝膠填充至膨脹珍珠巖內(nèi)部，制備一種新型保溫材料———氣凝膠膨脹珍珠巖，并將其作為輕骨料，通過試驗分析對配合比進行優(yōu)化，制得導熱系數(shù)低至0.062W/（m•K），抗壓強度為4.39MPa的隔墻板。
3結(jié)論
氣凝膠材料因其獨特的多孔網(wǎng)絡骨架結(jié)構(gòu)，擁有優(yōu)異的防火性能和保溫隔熱性能，但由于其力學性能較差限制了氣凝膠的適用范圍。對氣凝膠材料進行復合改性研究，可提高材料的綜合性能，取得更好的經(jīng)濟和社會價值。隨著我國對建筑節(jié)能標準的逐步提高，對氣凝膠材料的研究和應用也在不斷深入，研發(fā)以氣凝膠為原料的復合材料將成為今后建筑節(jié)能的重要發(fā)展方向。
作者:石俊龍 劉剛 高宏宇 單位:吉林省建筑科學研究設計院