微纳复合SiO2气凝胶超级绝热建筑外墙保温材料

沈军，吴宇，张志华，杜艾，高国华，赵科仁，姚献东，董淼军

（1.同济大学 波尔固体物理研究所，上海 200092；2.纳诺科技有限公司，浙江 绍兴 312366）

微纳复合SiO2气凝胶超级绝热建筑外墙保温材料

沈军1，吴宇1，张志华1，杜艾1，高国华1，赵科仁2，姚献东2，董淼军2

（1.同济大学 波尔固体物理研究所，上海 200092；
2.纳诺科技有限公司，浙江 绍兴 312366）

我国建筑能耗巨大并处于高速增长期，而现有的建筑外墙保温材料各有缺点，如保温性能差，耐候性差等，因而保温效果极好、阻燃、耐候的纳米多孔气凝胶基外墙保温材料日益受到人们的青睐。基于SiO2气凝胶的超级保温隔热特性，针对成本、使用寿命和燃烧性等建筑材料最关注的问题，通过微纳复合技术，提出了有效的解决方案并形成了规模化生产。通过仿真模拟计算发现，使用气凝胶复合保温板的建筑耗能将明显降低。

外墙保温；SiO2气凝胶；微纳复合；仿真

0 前言

我国正处于工业化和城镇化快速发展阶段，经济的快速发展势必会导致我国建筑能耗消费处于高速增长期。“十一五”期间我国每年新建建筑面积20多亿m2，是世界上最大的建筑市场。据2005年统计，全国民用建筑面积约420亿m2，其中节能建筑不到1%。预计到2020年底，全国房屋建筑面积将新增250亿～300亿m2，也就是说“我国有50%的存量建筑是在2020年前建成的”（2005年国务院新闻办新闻发布会）。如果延续目前的建筑能耗状况，每年将消耗1.2万亿kW·h和4.1亿t标煤，接近目前全国建筑能耗的3倍。加之建材的生产能耗16.7%，约占全社会总能耗的46.7%，建筑节能已成为国家的重大战略问题。

按照国家标准严格控制新建建筑外墙保温指标并对既然有建筑进行外墙保温改造被公认为适合我国国情的建筑节能方法。然而，符合国家A级（不燃）标准的保温材料主要有膨胀珍珠岩保温涂层、胶粉聚苯颗粒保温浆料和岩棉等，其中，珍珠岩保温涂层和胶粉聚苯颗粒保温浆料保温性能不佳，而岩棉虽然保温性能尚可，但是受限于矿藏丰度与开发量，不可能实现大批量生产。此外这些材料一般易于吸潮、脆性大或密度较大，生产、安装、使用均不方便。因此，一种隔热性能优异与聚苯板相当）、资源丰富、阻燃的外墙保温材料的研发已经迫在眉睫。公消令[2011]65号文件明确规定，外墙保温只能采用A级不燃建材，保温效果极好、阻燃、耐候的纳米多孔气凝胶[1-7]基外墙保温材料目前市场容量巨大，各类保温材料的主要性能比较见表1。

表1 各类保温材料物理性能比较

从表1可以看出，气凝胶复合保温板是一种耐候性和保温性较好的材料。国内外高校、实验室和研究所等科研单位对气凝胶材料进行专业研究不少，但比较成熟的专业生产单位主要是美国和德国的Aspen公司和Cabot公司，而将气凝胶用于建筑保温的研究和生产就更少。Aspen公司主要生产Spaceloft系列产品是由40%～50%（质量百分比，下同）硅甲基化的氧化硅气凝胶、10%～20%的聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、10%～20%纺织级的玻璃纤维和0～5%的氢氧化镁组成的保温毡，Cabot公司的Thermal Wrap系列产品则由45%～77%硅甲基化的氧化硅气凝胶、17%～47%的共聚双烯烃纤维和0～6%的尼龙组成的保温毡。2种产品的制作工艺未公开，但是从主要成分来看，2种产品均含有机聚合物，在建设和使用过程中存在较高的燃烧安全风险。此外，这类产品成本极高，目前多用于航空航天器的保温、军用设施的保温、医药化工和石油管道保温等高端领域，无法满足价低量广的建筑外墙保温应用。

本项目基于气凝胶的超级保温隔热特性，针对成本、使用寿命和燃烧性等建筑材料最关注的问题提出了有效的解决方案，并形成了规模化生产。在技术上具有先进性，形成生产能力后，将产生积极的社会影响和可观的投资回报。

1 总体技术原理

1.1 背景

本课题主要涉及一种纳米多孔气凝胶超级绝热材料的生产和加工，并最终在船舱、车箱、管道、泵体、建筑等方面进行高效隔热保温应用。GB/T4272—1992《设备及管道保温技术通则》规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12 W/（m·K）的材料称为保温材料，把导热系数在0.05 W/（m·K）以下的材料称为高效保温材料，而国际上把在预定使用条件下导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料称为超级绝热材料。SiO2气凝胶就是典型的超级绝热材料，常温常压下，SiO2气凝胶的总体导热系数可低至0.015 W/（m·K）以下。SiO2气凝胶是一类由纳米量级的超细SiO2微粒相互聚集构成纳米多孔网络，并在孔隙中充满气态分散介质的一种无定形的高分散固态材料，其兼具宏观特性与纳米效应的特点使其具有超低的导热系数，成为最具典型意义、研究最深入、绝热性能最优异的超级绝热材料之一。常温下气凝胶的热传导主要包括固态热传导和气态热传导2个方面：在固态热传导方面，气凝胶极低的固体含量与丰富的气-固界面（边界）限制了骨架中声子间相互碰撞的可能，而大量的无序结构与缺陷对声子传播产生了强烈的散射作用，具有超低的固体导热系数；在气态热传导方面，其孔洞尺寸大多分布在50 nm以内，小于大气环境下气体分子的平均自由程，限制了气体分子间的相互碰撞，从而具有超低的气体导热系数。SiO2气凝胶由无机材料构成，具有优异的防火阻燃性能。此外，气凝胶的密度极低（一般约为3～200 kg/m3），用作高效保温隔热材料，可以避免自重过大引起的损伤和失效等问题。

然而，传统的纯SiO2气凝胶力学性能差、易吸潮、极脆，不能直接应用。本项目依托同济大学上海市特殊人工微结构材料与技术，通过调控溶胶-凝胶[8-9]生长模式，增强气凝胶自身结构；通过微米尺度的材料与气凝胶进行微纳复合以匀化应力，进一步增强气凝胶；通过对表面进行处理结合常压干燥技术[10-12]使气凝胶疏水甚至超疏水化，避免高温、高压过程，并采用廉价原料进一步降低生产成本[13-16]。本项目还将在气凝胶基材料生产以后进行深加工，制成可直接安装和使用的保温套件。

1.2 技术优势

本课题围绕低成本、大规模的微纳复合技术，生产兼具优良绝热性能、燃烧性能、机械性能和耐候性能的微米级复合质/纳米多孔气凝胶板材或柔性毡[17]等外墙保温产品。选用SiO2气凝胶材料，具有结构稳定、技术成熟、工艺相对简单、保温隔热性能极佳等优点，通过微纳复合技术解决传统的纯SiO2气凝胶极易碎、易吸潮以及成本较高等缺点。

1.2.1 增强气凝胶自身骨架

改变前驱体的配位环境，通过控制合成参数调控气凝胶的微结构，使气凝胶微缺陷和微裂纹减少，从而提高其强度。

1.2.2 复合增强与应力匀化

通过纤维、粉末或水泥等物质与气凝胶复合，利用这些复合质微米结构的强度和韧性分担应力，提高复合气凝胶的整体强度；对复合质表面进行适当的处理使复合质与气凝胶之间发生键合，使应力均匀化，降低复合气凝胶的脆性，大幅提高材料的韧性和机械强度。

1.2.3 表面改性增强耐候性

气凝胶的比表面积较大，非常易于吸潮，改变气凝胶微观结构甚至破坏其骨架，从而影响其隔热效果。采用惰性基团取代其表面的亲水性基团（硅羟基），使其实现内表面完全疏水化，从宏观和微观上均排斥水及水蒸气，解决易吸潮的问题。

1.2.4 多环节技术进一步降低成本

进行全过程成本分析，研究优化条件控制成本；采用工业级廉价硅源作为前驱体，调整溶胶-凝胶过程，获得结构和性能均较佳的气凝胶；避免采用耗时、高温、高压的超临界流体干燥工艺，研究和优化常压干燥工艺，降低干燥成本，并提高生产效率。

1.3 产品的性能指标

经优化措施，最终产品的综合成本低于200元/m2（1 cm厚）；燃烧性能A或 B1级；（3）导热系数为0.015～0.020 W/（m·K）；（4）耐候、超级疏水，接触角约为150°；（5）密度为0.05～0.25 g/cm3。

1.4 扩大生产中的创新点

1.4.1 气凝胶骨架结构控制的增强技术

将纳米多孔SiO2气凝胶材料与玻璃、陶瓷等无机纤维相进行微纳跨尺度复合，形成具有优良保温隔热性能、燃烧性能、机械性能、耐候性能的新型高效建筑保温材料。

1.4.2 气凝胶低成本制备技术

减少有机溶剂使用量、避免超临界流体干燥工艺及使用廉价的前驱体是降低气凝胶成本的3大关键因素。项目采用惰性基团取代凝胶表面的亲水性基团（硅羟基），使其表面疏水化，既可提高气凝胶的耐候性，又可实现常压干燥，降低生产成本。此外，硅的烷氧基化合物一般价格昂贵，采用工业级硅烷、水溶胶、水玻璃或稻壳灰为前驱体制备气凝胶的工艺可缩减前驱体成本甚至减少溶剂消耗。然而，低成本工艺制备的气凝胶相比传统方式制备的气凝胶在力学性能、均匀性与成型性能方面均会有所降低，选择合适的工艺（如修饰液成分与浓度调节、修饰方式、不同硅源与凝胶化方式等）实现生产成本与性能的平衡。

1.4.3 大规模生产技术

扩大生产时的工艺能否保证生产要求，关键在于溶胶的稳定性、凝胶化的快速性与气凝胶的成型性。项目拟采用添加助凝剂、调节pH值、选择凝胶促进剂等方式加速凝胶化过程，提高生产效率。最后，气凝胶的成型性控制决定产物的性状。凝胶的强度较低，即使面对生产过程中极轻的挤压和碰撞，凝胶也易于散开破损，干燥过程中极易扬粉，干燥后的气凝胶易于粉化、成团，降低力学性能和导热系数。本项目通过微纳复合技术（纤维或微米粉末与溶胶复合成型）大幅提高其成型性，并采用调整工艺、强迫老化、部分干燥预成型等方式来进一步提高气凝胶的成型性。

1.4.4 安全生产技术

气凝胶一般制备过程在扩大工艺时面临安全隐患。针对原料储存、溶胶混合反应、移液、催化反应、凝胶化成型、修饰、替换、干燥和产品储存方面的不同要求，本课题通过设计表面处理防腐、进料出料、加热或冷却、混合、泵与管道、喷嘴、连续成型模具等生产装置，实现安全和高效生产。通过设备设计，降低扩大生产中的局部反应过度，通过热交换与反应釜结合的方式降低反应热的影响，通过强制通风结合部分封闭工艺控制多个流程中的易燃溶剂挥发问题，从而给扩大生产提供安全保障。

1.4.5 气凝胶基复合材料的表面处理

对气凝胶基复合材料使用改性剂和表面封闭剂，如外购专用材料及由VAE乳液、乙二醇、丁二酯等高分子材料组成的自制改性剂和封闭剂，既可以封闭表面吸水通道，保持气凝胶复合板优异的保温性能，增强系统安全性，延长使用寿命，又能提高气凝胶复合板的表面强度[18-19]。

1.4.6 以气凝胶基复合板为保温层的系统设计

系统性设计分为2个层面，即辅助材料的性能设计和系统的结构设计。辅助材料开发的技术思路是采用合适的激发剂，使彼此孤立的硅质砂石颗粒表面活化，与加入的改性材料形成交联，从而形成穿插于砂浆空隙的交联网络结构。结构设计时对不同结构的保温系统进行性能测试、加速老化实验等，得出各保温系统的性能指标，分析各材料层厚度、材料层设计等因素对系统保温性能、安全和耐候性的影响，进而选出最佳的系统结构。

2 实际应用

2.1 耐火试验

选取市场上2种主流保温材料——岩棉、阻燃型挤塑聚苯板与气凝胶复合保温板进行耐火试验，结果见图1。

图1 气凝胶复合保温板与市售主流保温材料耐火试验

将3种材料在酒精喷灯外焰（900℃以上）经过1 h燃烧，从图1结果可以看出，阻燃型挤塑聚苯板遇火即化，岩棉部分被烧蚀且燃烧过程中有刺激性气味，而气凝胶复合保温板表面无任何变化。

2.2 建筑仿真

本项目运用PKPM节能建筑软件和DeST进行建模仿真计算，对市场中广泛使用的聚苯乙烯板、岩棉以及气凝胶复合保温板进行节能效果对比分析。通过对同一建筑加装不同种类的保温材料进行能耗对比。仿真对象：上海住宅建筑（北纬31°11'，东经121°29'，HDD18=1691，CDD26=164），建筑面积714 m2。达到相同保温效果时，几种保温材料的厚度比较见图2。对该建筑分别加装10 mm厚气凝胶、40 mm厚发泡聚苯乙烯板、30 mm厚岩棉板的能耗进行对比，见图3。

图2 达到同样保温效果时几种保温材料的厚度比较

图3 各型产品耗电比较

从图2、图3可以看出，仿真得出的负荷数据按照冷热负荷cop值、现行上海市居民用电价格进行估算得出结果：气凝胶复合保温板单位建筑面积年耗电量33.1 kW·h/m2，建筑年耗电费用18.38元/m2，比岩棉板、阻燃型聚苯板年耗电费用分别节约2.06元/m2和0.56元/m2。

除了上述的建筑领域，纳米复合气凝胶保温隔热毡目前主要应用于油田的热力管道（据了解在克拉玛依等油田已使用数十万平方米）。鉴于愈来愈多的老油田进入黏油复采阶段，将会有更多的热力管道对纳米复合气凝胶保温隔热毡提出大量的需求。国内主要纳米复合气凝胶保温隔热毡生产商已新增了生产线，但仍未满足需求。另外纳米复合气凝胶保温隔热毡已被应用到多家发电厂、石油化工厂、医药化工厂。因此，纳米复合气凝胶保温隔热毡的第二大市场为工业领域。在交通运输领域纳米复合气凝胶保温隔热毡被用于动车列车车厢、舰船等，从最初在军工领域应用，到目前已经发展在多领域的应用。

2.3 产品与示范工程

气凝胶由于其组成为氧化无机材料，所以具有优异的隔热保温和阻燃性能。纳诺科技有限公司将传统的氧化硅气凝胶与无机纤维复合，成功研发出气凝胶复合保温毡、板等新型建筑保温材料，密度为180～220 kg/m3，导热系数≤0.020 W/ （m·K），A级防火。可广泛用于高效节能建筑、热网管道、化工、石油、舰船等需要高效绝热保温和防火的领域。公司拥有十多项国家专利，产品已成功在多个领域推广应用，气凝胶产品及工程应用见图4。

图4 气凝胶外墙保温应用示范工程（上海金山）

3 结语

气凝胶复合保温材料因其优良的保温隔热性，阻燃性和耐候性，在建筑工业、交通运输、国防军工领域均有极其广阔的应用前景。

本课题围绕低成本、大规模的微纳复合技术，生产兼具优良绝热性能、燃烧安全性、机械性能和耐候性能的微米级复合质/纳米多孔气凝胶板材或柔性毡等外墙保温产品，且通过仿真模拟计算表明，使用气凝胶复合保温板的建筑耗能降低。纳诺科技有限公司研发的气凝胶复合保温毡、板等新型建筑保温材料已成功地在多个领域推广应用。

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Super thermal insulation materials--micro-nano composite silica aerogels in building exterior wall

SHEN Jun1，WU Yu1，ZHANG Zhihua1，DU Ai1，GAO Guohua1，ZHAO Keren2，YAO Xiandong2，DONG Miaojun2
（1.Pohl Institute of Solid State Physics，Tongji University，Shanghai 200092，China；
2.NANO TECH Co.Ltd.，Shaoxing 312366，Zhejiang，China）

Nowadays，China's building energy consumption is huge and in a period of rapid growth，while the existing building exterior wall thermal insulation materials have their own disadvantages,such as poor insulation performance and poor weather resistance.So the nano porous aerogels based exterior wall material is increasingly favored by people with excellent insulation effect，flame resistance，weather resistance.Based on super thermal insulation properties of silica aerogels and aiming at the cost，the service life and the combustibility which building materials are most concerned about,this paper put forward effective solution and formed a large-scale production through the micro-nano composite technology.It's found that building energy consumption will be reduced greatly with the use of aerogel composite insulation board through the simulation.

exterior wall thermal insulation，silica aerogels，micro-nano composite，simulation

TU55

A

1001－702X（2015）04－0017-05

2014-10-09

国家科技支撑计划资助项目（2013BAJ01B01）

沈军，男，1967年生，江苏江阴人，教授，博士，博士生导师。