氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用

张广鹏，吴会军，2，刘彦辰，2，杨丽修，2

（1.广州大学土木工程学院，建筑节能研究院，广东 广州 510006；2.广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室）

建筑业作为全球经济活动的重要引擎，成为能源消耗总量和CO2排放总量最大的行业，占全球能源消耗总量的36%和CO2排放总量的39%。为实现可持续发展目标，建筑业需扭转能源和碳排放持续增长的趋势，以每年3%的速度实现降低建筑物的碳排放量。在此背景下，新型高性能保温隔热材料及围护结构的研发与应用，对中国建筑节能、降低建筑碳排放量有重要支撑作用。目前建筑中常用的有机绝热材料如聚苯乙烯泡沫（EPS）、挤塑聚苯乙烯板（XPS）和玻璃棉（GF）等具有轻质、易成型、隔热性能好等特点，但是存在消防安全隐患、疏水性差、耐久性差等问题［1-4］。常用的无机绝热材料如玻璃纤维、矿物棉、膨胀珍珠岩等，虽然耐火性较好、安全性高，但是其吸湿性强、蒸汽渗透率高［5-8］，影响工程应用。

氧化硅气凝胶作为一种纳米孔多功能无机固体材料，具有超低导热系数、耐火不燃、疏水、轻质等特点［9-11］，在航天航空、工业、交通等领域得到应用［12-15］。但是，氧化硅气凝胶本身力学性能差，而且相对于普通保温隔热材料其价格较高，限制了其进一步发展，尤其是在建筑领域的应用［16-19］。因此，降低气凝胶的制备成本、改善气凝胶的力学性能，以推动其在建筑节能领域的应用，成为国内外研究的热点。近年来，随着氧化硅气凝胶制备技术的发展及成本的降低，其开始在建筑节能减碳领域进行示范应用［20-22］。笔者综述了氧化硅气凝胶绝热材料的制备技术研究进展，介绍了氧化硅气凝胶在泡沫混凝土、胶毡和板材以及建筑玻璃等领域的应用研究进展。

1 氧化硅气凝胶绝热材料的制备与性能

气凝胶是一种由胶体粒子或高聚分子相互交联构成的具有三维纳米网络结构的多孔材料，按其组分的不同常见的类型分为氧化硅气凝胶、碳气凝胶、黏土气凝胶。氧化硅气凝胶是较为常见、应用较广的一种类型，其孔洞率达到80.0%～99.8%，密度低至0.003 g/cm3，室温下导热系数为0.015 W/（m·K）左右，小于无对流空气，为普通绝热材料的1/3～1/2，是目前导热系数最小的固体超级绝热材料。

1.1 气凝胶材料的制备技术

早在1931年美国斯坦福大学的Kistler即以水玻璃（硅酸钠）为硅源首次制成了氧化硅气凝胶，至20世纪70年代法国的Stanislaus Teichner用正硅酸甲酯（TMOS）取代水玻璃制备出氧化硅气凝胶，而后Arlon Hunt（Berkeley）用正硅酸乙酯（TEOS）取代TMOS于1983年制备出氧化硅气凝胶。20世纪90年代至21世纪初，气凝胶因具有超级绝热、耐火性强、耐候性好以及良好的光学、声学性能等特点，在建筑节能领域的应用前景逐渐显现，有关氧化硅气凝胶的研究飞速发展。前文所述制备工艺涉及的溶剂置换和超临界干燥技术成本高、过程冗长且方式繁琐，是限制其工业化应用的重要因素。如何解决该问题并推动其大规模实际生产、应用，也是该领域的研究热点。

近年来，低成本、快速的常压制备技术［21］得以研发，不仅替代了高成本、高危险性的超临界干燥工艺，而且具有表面预改性的同时可以和纤维整体复合成型，极大地改进了氧化硅气凝胶材料的性能，促进了其在建筑节能领域的应用，推动了其产业化生产。氧化硅气凝胶低成本常压干燥制备技术流程见图1。

图1 氧化硅气凝胶低成本常压干燥制备技术流程图Fig.1 Process flow diagram of low cost atmospheric drying preparation technology for silica aerogels

1.2 气凝胶材料的性能

氧化硅气凝胶本身具有较大的孔隙率和红外透过率，脆性大、强度低。为促进其在建筑节能领域的应用，常在制备过程中加入一定的组分如纤维、遮光剂等，改善其在力学、光学、高温隔热等方面的性能。

气凝胶基体制备过程中加入一定量的增强纤维以制备纤维/氧化硅气凝胶复合材料是目前改进其综合性能较为行之有效的方法，常用的增强纤维类型有束状纤维、预制件纤维、纳米纤维等［22］。通过该方法制备的气凝胶绝热材料，其导热系数可低于0.015 W/（m·K）、密度低于215 kg/m3、体积吸水率低于1%、压缩强度大于120 kPa；具备A级燃烧等级（不燃），耐热温度高达800℃；疏水角大于115°，属憎水性材料，在潮湿环境下仍能维持良好的隔热性能。

通过加入纤维、遮光剂组成的纤维/遮光剂/气凝胶三元体系，不仅改善了气凝胶的力学性能，更提高了其辐射隔热性能。Yang等［23］采用溶胶-凝胶法和常压干燥工艺制备了三元遮光剂/纤维/气凝胶复合材料。研究发现，三元复合材料的耦合热导率是总热导率的正增量，且在掺量一定时耦合热导率最大；在气凝胶含量不变的情况下，增加遮光剂与纤维的含量差异是降低耦合导热系数的有效途径。

近年来，以气凝胶为芯材、三元体系为基础，综合真空绝热技术，进一步发展、制备出了气凝胶真空绝热板（AVIP）。通过优化气凝胶绝热板的纤维含量、孔隙率、气凝胶密度等参数，可大大提高气凝胶材料的使用寿命和绝热性能。研究表明，当纤维体积分数为1.8%～20%、气凝胶密度为50～143 kg/m3时，有望提升真空板的建筑使用寿命至50 a；优化气凝胶材料的纳米孔网络结构至孔径为5～15 nm时，AVIP在较高压力下仍能维持较低的导热系数。

2 氧化硅气凝胶绝热材料的建筑应用

2.1 超轻气凝胶泡沫混凝土

泡沫混凝土相较于普通混凝土，因具有自身质量轻（325～600 kg/m3）、隔热耐火、导热系数低［0.07～0.16 W/（m·K）］、隔音和抗冻等特点，在建筑围护、保温领域应用广泛［24-25］。为制得高性能的泡沫混凝土，在制备过程中常掺入不同性能的掺合料（如粉煤灰、矿渣、硅粉、陶瓷颗粒、石墨、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维等）［26-28］。但是，各种外加料的掺入在提高泡沫混凝土某一方面性能的同时会降低其他性能，而且制作过程难成型以及强度与保温互为矛盾等仍是泡沫混凝土存在的较大问题。

以气凝胶为填充材料制备的新型高性能气凝胶泡沫混凝土则可进一步有效降低混凝土的干密度和导热系数，具有更好的保温隔热性能［29］。Liu等［30］采用溶胶-凝胶法、真空浸渍法和快速超临界干燥法合成了超轻气凝胶泡沫混凝土，制得的复合材料具有较高的气凝胶填充度（占基体体积的74%），且气凝胶组分仍保持多孔纳米结构，气凝胶的引入对基体材料的力学强度影响不大但保温性能有较大提高，其导热系数低至0.049 W/（m·K），相较于传统泡沫混凝土降低了48.4%。与传统泡沫混凝土相比，气凝胶泡沫混凝土成型性与强度明显提升（见图2），促进了泡沫混凝土在建筑领域的应用。

图2 泡沫混凝土成型比较：气凝胶泡沫混凝土（a）；传统泡沫混凝土（b）［31］Fig.2 Comparison of foam concrete molding：aerogel foam concrete（a）；traditional foam concrete（b）［31］

2.2 超高性能气凝胶绝热板

在建筑围护结构方面，气凝胶绝热板（AIP）亦得到了一定的发展。其是将纯气凝胶和纤维以及其他掺料等复合而成［15］，常见的有纤维毡/气凝胶复合板［32］、三元遮光剂/纤维/气凝胶复合板［33］等。通过与传统保温隔热材料（聚苯乙烯泡沫、玻璃纤维毡）的实验对比发现，气凝胶绝热板的温度波延迟时间比传统保温隔热材料提高1倍，衰减倍数增大40%，其热工性能明显优于传统保温隔热材料［34］。

Ibrahim等［35］基于氧化硅气凝胶新型超级绝热板开发了两种保温体系，即外保温复合体系和内保温多层体系，对气凝胶绝热板芯材的热、湿和机械性能进行了表征。采用氧化硅气凝胶新型超级绝热板的内保温多层墙体显示出良好的隔热性能，采用保温系统后围护结构热导率降低80%以上；在外保温复合体系下氧化硅气凝胶新型超级绝热板可有效防止墙体受潮，而对于内保温墙体即使室内产生大量水分墙内相对湿度仍低于85%；与不采用氧化硅气凝胶新型超级绝热板的墙体相比，其噪音可降低1/4，减幅达到7 dB。

2.3 超低传热系数气凝胶节能玻璃

中空玻璃是由两层或两层以上的平板玻璃为原片，在原片与铝合金框和橡胶条四周用高强气密性胶黏剂将其密封，中间充入干燥气体，框内充以干燥剂制成。因其具有优良的隔热、隔声和防结露性能，在建筑围护结构中可代替部分围护墙。将气凝胶作为填充物料制成新型气凝胶玻璃，除具有上述中空玻璃的优良特点外，还能够有效降低太阳辐射透过率和传热系数，作为高性能建筑玻璃能显著降低建筑能耗［36-38］。

Garnier等［39］研发的超级隔热气凝胶玻璃窗传热系数可低至0.3 W/（m2·K），日光透射率较传统氩气涂层双层玻璃窗降低56%。Buratti等［40］研究表明，当气凝胶填充厚度为15 mm时，与常规玻璃窗相比传热系数可降低63%，透光率降低30%。吕亚军等［41］研究了颗粒粒径与填充厚度对气凝胶玻璃透光性能和隔热性能的影响，结果表明粒径小的气凝胶在降低玻璃传热系数方面优于大粒径气凝胶，当气凝胶粒径从0.41 mm增大至0.93 mm时，玻璃的可见光透过率和太阳辐射均明显增大，而当粒径继续增大时此趋势不再显著；此外，通过玻璃隔热试验发现，气凝胶玻璃较普通中空玻璃的隔热效果可提高5.4～10.2℃。Lolli等［42］以气凝胶玻璃代替含氩气的三层玻璃，对比发现当气凝胶嵌装玻璃的比例增加到总窗面积的98%时，实现的生命周期温室气体排放量减少9%（窗墙面积比为0.5，维护时间较短的替代方案），使用整体或颗粒气凝胶比仅使用含氩气的三层玻璃窗时的排放量更低。

由于气凝胶中80%以上是空气，所以有非常好的隔热效果，约3.3 cm厚的气凝胶相当于20～30块普通玻璃的隔热功能；同时气凝胶对太阳光具有一定的阻挡、过滤作用，使室内光线柔和，起到一定的遮阳效果，可改善室内的舒适性。通常气凝胶粒径越小、填充厚度越大，其保温、遮光效果越明显，但是遮光能力过大时反而影响室内采光。因此，气凝胶玻璃的研究应向保温与遮光可调控方向发展，针对不同气候区的保温与采光需求，使保温性能与采光性能在合理范围内达到平衡，实现室内的最优舒适性。

3 结论

建筑能耗占全球总能耗的比例较大且持续增长。中国二氧化碳的排放力争在2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现“碳中和”，其中建筑行业减碳至关重要，对新型建筑保温隔热材料与技术的需求更加迫切。氧化硅气凝胶具有高孔隙率、低热导率、高温不燃、轻质、耐候性好及良好的光学和隔声性能，在建筑围护结构中具有巨大的应用潜力，是未来建筑节能领域中理想的新型建筑材料。近年来，国内外学者均对其进行了重点研发，在材料的制备与改性、建筑节能应用等方面取得了一定的进展。

新型常压制备技术在传统溶胶-凝胶法基础上对生产工艺进行了改进，替代了高成本、高危险性的超临界干燥工艺的同时，还可以进行表面预改性，可以和纤维整体复合成型，并且可以加入遮光剂组成纤维/遮光剂/气凝胶三元体系，综合改进气凝胶制品的力学、光学、热工性能和疏水性以及使用寿命，为其在建筑节能领域的应用奠定了基础。通过与其他建筑材料复合，优势互补，氧化硅气凝胶绝热材料在建筑节能应用方面（如非承重墙、胶毡和板材、建筑玻璃等）表现出广泛的应用潜力。

随着建筑节能领域的发展，对氧化硅气凝胶绝热材料的性能提出了更多功能性要求，对氧化硅气凝胶材料还需开展更系统的基础研究以及工程应用技术研发，推动建筑减碳与可持续发展。