纳米多孔保温材料的研究及应用

李建凤，廖立敏

(内江师范学院 化学化工学院，四川 内江 641100)

随着科技的发展，人口的增加，人们生活水平的提高，在世界范围内能源变得越来越宝贵，某些地方已经出现了能源紧缺的状况。为了解决能源紧缺问题，除了加大能源开发力度、努力寻求开发新型可再生能源外，节能成为科学家重要的研究课题。在能量的生产、输送、使用、储存等过程中，能量或多或少地被损失浪费掉。在节能和制冷领域，绝热保温材料是关键。20世纪80年代以来，纳米技术得到迅速发展并成为一项重要的技术，在绝热、保温材料的生产中也得到了广泛的应用。

1 绝热、保温机理

热传递的方式有3种，传导、对流和辐射。热传导通常通过固体介质，热量由高温部分向低温部分传导；热对流通常通过气体或液体介质完成；而热辐射通常不需要任何介质，热量由高温物体传向低温物体。绝热材料应该在上述三种热传递方式中阻断或减缓热传递[1-3]，作为优良的绝热材料除需要足够的机械强度外，应该具有足够小的体积密度以减小热传导而导致的热损失；要尽可能减小气体或液体对流，以减小热对流而导致的损失；要有无穷多的反射面将接收到其他部位辐射过来的热量进行反射，以减小热辐射而导致的损失。纳米多孔绝热材料主要在此三方面表现良好，实现材料的绝热和保温性能。纳米绝热、保温材料通常多孔、孔隙较小，在100nm以下，实现热量无数次反射以减小热辐射而导致的损失；气孔尺寸在50nm以下，气体失去自由运动的能力以减小热对流而导致的损失；具有很低的体积密度，材料内部气体体积较大，固体体积小以减小热传导而导致的热损失。

2 绝热、保温材料与SiO2气凝胶

SiO2气凝胶是一种新型纳米材料[4-5]，具有多孔、轻质、密度低、比表面积大和孔隙率高等优点，表现出良好的绝热和保温性能，受到研究者的重视，成为绝热、保温材料领域研究的热点。但是SiO2气凝胶质脆，机械强度不够而不能作为超级绝热材料直接用于工程实际，必须对其强度和韧性进行改进以满足实际需要。例如采用硅酸铝纤维作为SiO2气凝胶增强组分，制备出了具有实际应用价值且绝热、保温性能优良的纳米孔超级绝热材料,并对其高温绝热性能的改善提出了方向。SiO2气凝胶具有导热系数低，吸附性能强等优点，是一种具有广阔应用前景的新型绝热、保温材料。

3 SiO2气凝胶绝热、保温材料的制备

3.1 SiO2醇凝胶

SiO2醇凝胶的制备过程包括制备和干燥两个步骤，SiO2醇凝胶的制备方法很多，较常用的是溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶技术是指线度为1～100nm的固体颗粒均匀地分散在适当的液体中，形成的单相溶液 在一定的温度、湿度、酸碱度、压力等的反应件下转变为具有一定强度的多孔凝胶的过程。国内外目前普遍采用正硅酸乙脂作为原料制备SiO2气凝胶，合成方法分为一步法、两步法，都要先制备出SiO2醇凝胶。

3.2 SiO2气凝胶

醇凝胶经干燥后制得气凝胶，醇凝胶的干燥方法主要有以下几种：超临界干燥法、亚临界干燥法、常压干燥法、冷冻干燥法、减压干燥法等，目前比较成熟和常用的技术为超临界干燥技术制备SiO2气凝胶，在超临界状态下，气体和液体之间不再有界面存在，而是成为界于气体和液体之间的一种均匀的超临界流体。超临界流体既具有液体般优良的溶解性能，又具有气体般良好的流动性和传质速率。通过此法制备的SiO2气凝胶具有质轻、多孔、空间密度小、绝热性能良好等特点。

3.3 SiO2气凝胶的改性

虽然SiO2气凝胶具有良好的绝热、保温性能，但由于其具有机械强度差、韧性差、易脆的缺点，限制了其直接作为绝热、保温材料应用于保温工程。在其应用于绝热、保温工程之前，需要对其改性以增加SiO2气凝胶的强度和韧性。使用超临界干燥的方法，同时在凝胶制备过程中加入硅酸盐纤维作为改性剂，可以增加材料的强度和韧性，最终制备出可以应用的有机-无机复合绝热、保温SiO2气凝胶。Xiaochun Li等[6]在凝胶制备过程中加入无机或有机硬质玻璃，以形成具有一定强度的复合材料，但得到的绝热保温体积密度较大，绝热、保温性能大大降低。 杨海龙等[7]为解决SiO2气凝胶质脆的难题，以正硅酸乙酯为硅源，采用溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺制备了硅酸铝纤维增强纳米孔超级绝热材料，并对其性能进行测试，结果表明所得绝热、保温材料具有一定的强度且可用于保温工程实际，显示出广阔的应用前景。

4 绝热、保温材料的应用

为减少能量的损失，提高能量的利用效率，在一些绝热、保温等领域需要用到保温材料。化工企业在设备外形上一般尺寸是较为复杂的，管道直径也较大，保温工作难度较大，能耗也较大。为降低能耗化工管道保温层性能有待提高[8-9]，纳米多孔保温材料是不错的选择。大型冷库、冷间能耗高，对隔热、保温要求高，通常需要绝热、保温性能良好的材料[10-11]，因而纳米多孔保温材料有望得到应用。在当前建筑工程施工过程中，利用新型保温节能材料，可以节约建筑资源，降低工程效率，实现节能的目标[12]。

5 结论

本文对绝热、保温材料的保温机理，纳米多孔保温材料制备、改性及应用进行了分析与综述。目前研究和应用的热点为SiO2气凝胶绝热、保温材料，制备方法通常包括醇凝胶的制备及干燥。由于SiO2气凝胶强度低、韧性差而限制了其直接作为绝热保温材料应用于绝热、保温工程，通常在凝胶制备过程中掺杂进行改性以制得强度较大、韧性较好、可以直接应用的SiO2气凝胶绝热、保温材料。本文对于新型轻质纳米多孔保温材料的研发具有一定的参考价值。