二氧化硅气凝胶制备建筑保温隔热材料

张明灿（福建省建筑科学研究院，福建省绿色建筑技术重点实验室，福建 晋江362200）

1 引言

面对国内大部分建筑保温材料品质低劣，优质建筑保温材料难以广泛应用的现状，本研究针对二氧化硅气凝胶固态热导率低，单独二氧化硅气凝胶的块体固态传导较弱的特点[1-3]，有意把二氧化硅气凝胶应用 到建筑保温材料中，生产出性价比高的优质建筑保温材料。但是单独二氧化硅气凝胶制成的块体质脆松散、强度低，难以作为块体使用[3-5]，需要添加合适的支撑材料，以提高其强度[6-7]。厦门大学以二氧化硅气凝胶为基体，添加二氧化钛为红外遮光剂，E 玻纤为支撑骨架，白色硅酸盐水泥熟料为黏结剂，采用注浆成型—常温常压干燥工艺（常温即25℃），制备出二氧化硅气凝胶隔热块体材料[1]；但此法生产周期较长，成本较高，还难以作为中低端的建筑保温材料使用。

针对上述问题，本研究以价格较为低廉的国产二氧化硅气凝胶为主体材料，添加E 玻纤为支撑骨架，白色硅酸盐水泥为粘结剂，添加少量的矿粉降低水化热，采用注浆成型工艺，制备低热导率的建筑保温隔热材料。此法生产成本低，周期短，产品的性价比高，对二氧化硅气凝胶在建筑工程等保温隔热领域的广泛使用具有深远的意义[1-3]。

2 实验

2.1 原料、试剂及设备

二氧化硅气凝胶（XT，三明汇丰化工公司）；白色硅酸盐水泥（42.5R，福建武平金鸽白水泥厂）；矿粉（S95，泉州国道建材有限公司），E玻纤（平均直径f12mm，平均长度9 ～10mm，重庆国际材料有限公司）；无水乙醇（99%，AR，国药集团化学试剂有限公司）；自制蒸馏水。本研究采用的原料均无毒。

箱式电阻炉（Sx2-5-12，天津市中环实验电炉有限公司）；水泥净浆搅拌机（NJ-160A，无锡市锡仪建材仪器厂）；电热鼓风恒温干燥箱（101-A3，上海东星建材试验设备有限公司）；计重电子天平（HAW-15BH，d =0.1g，福州衡之展电子有限公司）；钢直尺（0-600）mm，d =1mm，上海汇一尺业有限公司）；砖用卡尺（ZK-1，浙江精密量具有限公司）；微机屏显液压万能试验机（WE-100，济南东侧试验机技术有限公司）；扫描电镜（LEO-1530，德国LEO公司）；平板导热测定仪（PDR-II-3030，沈阳微特应用技术开发有限公司）；数字单通道系统源表（2611 美国吉时利仪器公司）。

表1 样品经600℃处理0.5h 的密度D 值

2.2 生坯的制备

将白色硅酸盐水泥和矿粉过f0.9mm 的筛，取筛下物置于105℃的恒温干燥箱中干燥0.5h。E 玻纤在箱式电阻炉中580℃处理0.5h。

取60 份二氧化硅气凝胶XT，每克XT 加10ml 水，用手工搅拌制成料浆A；取2 份E 玻纤缓慢加入搅拌中的料浆A 制成料浆B；取32 份白色硅酸盐水泥和6 份矿粉，每克水泥和矿粉混合物加3ml 无水乙醇，获悬浊液C；把悬浊液C缓慢加入搅拌中的料浆B，用手工继续搅拌所获得的料浆D；对料浆D 加水稀释[每克固体原材料（XT、E 玻纤白色硅酸盐水泥和矿粉的总和）约用2ml 水]以调节粘度，搅拌均匀后注入自制模具，制成不同尺寸生坯。

2.3 生坯的干燥和热处理

生坯在常温常压下静置24 ～72h；脱模；生坯继续在60℃电热恒温鼓风干燥箱内保温2h后，在箱式电阻炉中600℃处理0.5h，制备出待测试的块体样品。

2.4 样品性能表征

制备尺寸100mm ×100mm×100mm 的样品，用电子天平、钢直尺和测厚仪测样品D 值。制备尺寸100mm ×100mm×100mm 的样品，用电子万能试验机以2.4KN/S 的速率对样品施加压力，测样品抗压强度M 值。采用扫描电镜观察样品断面微观结构。通过Heat Flow Meter Instrument 采用热平板（hot-plate）法测试尺寸为300mm ×300mm × 30mm（2 块）样品常温下的热导率λ。通过数字单通道系统源表采用四线（4-wire）法，施加电压200V，测样品常温体积电阻率ρ。

3 实验结果与讨论

3.1 样品的密度D 和外观

如表1 所示，本研究制备的样品D =230kg·m-3，比美国标准（ASTM C533-85）中提到的绝热制品的密度指标D = 240kg·m-3还低，具备生产成为优质建筑保温隔热材料的性能[8-9]。

但是，在制备样品的过程中，白色硅酸盐水泥水化后，水化热过高容易使坯体与模具接触的底部形成较大的裂缝，如图1 所示。本研究掺入一定量的矿粉，降低水化热使样品不开裂，表面平整外观如图2 所示。

图1 本研究未添加矿粉制备样品的外观图

表2 样品经600℃处理0.5h 的压缩强度M

图2 本研究添加矿粉制备样品的典型外观

3.2 样品的压缩强度M

如表2 所示，常温下密度为230kg·m-3样品测得的平均值R = 2.0MPa；此数值远高于单独气凝胶（D = 112kg·m-3）的0.018MPa[10]；也比添加纤维后自然干燥后的样品的R = 0.41MPa高很多[9-11]。

这是因为E 玻纤无规则穿插样品中，作为材料支撑骨架；且水泥水化后，具有很高的水化体强度[1-3]；再者，坯体干燥收缩，也会导致样品密实[12-13]。这三者导致了样品的M 值明显地提高。

表3 经600℃处理0.5h 样品的热导率λ

表4 经600℃处理0.5h 样品在200V 下的常温体积电阻率ρ

3.3 样品的热导率

表3 是用热平板法测得的真空条件下的样品热导率λv 与常压下的热导率λn。表中样品常温下λn = 0.52W·m-1·K-1；常温下，样品抽真空后λv 急剧下降至0.033W·m-1·K-1。

由于样品的热传导主要由红外辐射传热、固态传导和气态传导三个部分构成[1,14,15]。根据波耳兹曼定律，红外辐射传热系数与绝对温度的4 次方成正比[1,16]。而二氧化硅气凝胶本身具有极低红外辐射传热系数[1,17]。所以，在较低温度时，红外辐射传热低，热传导主要以固态传导和气态传导为主[1,19-20]。二氧化硅气凝胶本身热导率低，纳米粉与微米粉形成微小（微米孔或纳米孔）的闭气孔，导致气体无法对流，热导率下降[20]。样品抽真空后，气态对流传热大大降低，导致λv急剧下降[1,21]。本样品常温常压下和真空下热导率低，可用于节能建筑和制冷设备等领域[1,21]。

3.4 样品的常温体积电阻率ρ

表4 是经600 ℃处理0.5h 样品在200V 下的常温体积电阻率ρ。由表可知，样品平均ρ值 为1.61×1011Ω·cm，符合文献[22]提到一般固体和液体绝缘材料 的ρ 值（ 约 为108～1018Ω·cm）[22]和文献[23]提到绝缘材料的ρ 值（约为108 ～1021Ω·cm）[23]。

4 结论

1）以白色硅酸盐水泥熟料为粘结剂，用E玻纤为支撑骨架，添加二氧化钛为红外遮光剂，掺入矿粉降低水化热，采用注浆成型工艺，制备出低热导率的建筑保温材料，其25℃时λn =0.052W·m-1·K-1；原料和样品均无毒，性价比高，对产业化具有重要意义。

2）样品D =230kg·m-3，R =2MPa；常温下样品λn = 0.052W·m-1·K-1，常温下样品抽真空后λv = 0.033W·m-1·K-1，适合作为优质的建筑保温隔热材料进行产业化。

3）样品ρ »1.61×1011Ω·cm，处于一般固体和液体绝缘材料的ρ 值（108 ～1018Ω·cm）范围内。

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