气凝胶材料在建筑行业中的应用

王康凡

（山西阳中新材有限责任公司，山西 阳泉 045200）

0 引言

气凝胶材料主要是通过工艺制备获得的新型材料，主要工艺有溶胶—凝胶、干燥等方法，制作出密度、折射率、热导率低、空隙率较高的多孔材料。此类材料耐高温性能优越，因此在建筑领域应用前景广阔。同时，材料制作周期和成本的可控性强，因此，可以替代传统建材，研究此类材料在建筑节能、保温等领域中的应用前景广阔。

1 气凝胶材料概述

气凝胶材料属于由超微粒子所组合制作而成的固体材料，有硅系型材料，有硫系型材料，还有碳系型材料。碳气凝胶和SiO2气凝胶较为常用，因为上述材料密度低、粒径小，表面积和孔隙率较高，微观骨架间隙在纳米级别。因为气凝胶当中的小气孔规模庞大，尺寸均匀，材料导热系数在0.013W/（m·K），要低于空气的导热系数，因此，可以看出气凝胶材料拥有保温隔热优势[1]。

2 气凝胶材料的制备流程

气凝胶材料属于多孔结构、内部填充胶体的轻质材料，因此，外界环境温度在25℃左右时，材料的热导率不足0.018W/（m·K），材料的平均孔径大小在10～20nm之间，材料密度介于0.06～0.18g·cm－3，最高耐热温度1600℃，材料耐火程度A，比表面积700m2·g，材料空隙率介于95%～99%之间。

西方国家通常将气凝胶材料应用于建材制造或航天材料制造等领域，还生产出用于商用的产品。我国在气凝胶领域的相关研究虽然起步较晚，但是发展速度较快。无论是气凝胶材料的制备，还是此类材料的性能检测，又或者材料的开发应用，都获得诸多成果，总结诸多经验。研究人员利用无机盐作为材料，使用溶胶凝胶方法，配合临界干燥工艺，制作而成二氧化钛气凝胶。

气凝胶材料合成阶段，主要是经历“溶胶—凝胶”、干燥两个步骤，添加前驱体，作为催化剂，获得湿凝胶，之后经过干燥步骤制备气凝胶。

在“溶胶—凝胶”阶段，主要经历三个步骤，转变胶体溶液，使其变成无序、连续网结构，溶液内原料水解发生反应，反应以后，分子缩聚，溶液内部会形成小粒子簇，若粒子数量逐渐增加，会变成大粒子簇，出现络合反应的现象，获取凝胶。经老化步骤后，凝胶之内网状结构经过络合反应被黏结，因此结构稳定性更强，结果网络逐渐变得更加粗壮，结构的稳定性更高。然后通过干燥处理，防止凝胶结构出现塌陷问题，导致制备过程失败。通常而言，老化阶段需要利用乙醇溶液，在特定温度环境之下，保持老化时间7d，根据老化要求对溶液进行更换[2]。

在凝胶老化以后，还需要采取干燥处理措施，之后才可获得气凝胶。当前，制备气凝胶需要利用常压干燥、超临界干燥以及冷冻干燥等技术。其中长压干燥的应用需要对前驱体进行处理，之后让材料具备疏水性，之后经过加热和升温等工艺，来获取气凝胶；应用超临界干燥主要是转化湿凝胶内部需干燥介质，使其处于超临界状态，降低其表面张力，使张力值为0，这样凝胶结构不但性能优越，而且整体性好；运用冷冻干燥这一技术，通常是通过升华介质的方式，让凝胶处于干燥状态。

通过上述工艺流程的运用，获得气凝胶材料，其物理性质优越，本质原因是微观结构较为独特。而材料微观结构和及制备过程工艺的运用息息相关，所以为了保证气凝胶材料在建筑领域的高效运用，需要关注其制备工艺的改良，根据建材行业对此类材料的应用需求，优化改进，才能发挥材料应用优势。

3 气凝胶材料在现代化建筑中的应用分析

3.1 气凝胶玻璃

在建筑结构当中，玻璃外窗最重要组成部分，窗体在建筑结构当中既有通风和采光的功能，还能增强建筑美感，让人员的居住体验更好。实践研究表明，窗体结构损失的热量占建筑热量整体损失50%左右。以往建筑窗户使用硅酸盐玻璃，透光性、隔热性相对较好，然而，无论是遮阳系数，还是导热系数都相对较大，因此建筑仍然需要消耗大量能源。

利用气凝胶材质玻璃能够改善传统材料应用存在的不足之处，因为此类材料热学性能优越，合理运用能够降低室内热量向外部扩散，隔凉隔热，提升透光性。研究人员利用室内实验，在双层玻璃间填充此类材料，利用实验仪器，测试玻璃板对太阳辐射、光照强度等。结果显示，气凝胶材料后，玻璃接收太阳辐射的趋势无波动，室内采光率也恒定，使用此类材料可以降低太阳辐射，让材料散射辐射增加。实验过程，可测量室内光照度，按照《建筑采光的设计标准》来分析结果，采光系数需在15%，使用气凝胶材料后，玻璃采光系数可超过20%，可见，此类材料不影响建筑采光效果。且使用此材料，建筑室内不会受太阳直接辐射，所以和中空玻璃对比，室内光线柔和度更好，能够满足人们保护眼睛的需求[3]。图1是气凝胶材料应用以后太阳辐射、可见光透过量折线图。

图1 太阳辐射、可见光透过量折线图

3.2 气凝胶颗粒

气凝胶颗粒主要指SiO2分子凝结而成的颗粒状物质，按照其性质，可将其分为亲水性颗粒，疏水性颗粒。这种材料可以采取一次成型的方法进行制备，还可以采取二次成型的方法制备，前者会利用催化剂甲酰胺，并且使用凝胶前驱体水玻璃，借助溶胶-凝胶的方法将材料制备出来，后者是先将凝胶颗粒制备出来，之后根据需要的尺寸，制备成大小不同的颗粒物质。鲍尔运用上述技术制备出凝胶颗粒在1μm的材料，由于制备流程简单，所以能够实现商业化生产。生产过程对气凝胶颗粒密度、大小等进行合理控制，将其添加到无机材料中，制作保温砂浆，根据建筑墙体的外保温施工需求，调制成不同比例，还可以作为墙体的填充材料，提高建筑保温性能。

3.3 气凝胶隔热板

当前，建筑墙体主要利用PS和无机GF毡作为保温材料，但是上述材料使用年限相对较短，还存在安全隐患。气凝胶隔热板（下文简称AIP）属于新型隔热材料，热导率极低，且安全性能高，EPS和GF材料厚度在100μm，AIP材料的厚度在30μm。AIP隔热板有如下几种类型：①气凝胶—纤维毡复合材料；②气凝胶—纤维—三元遮光剂复合材料；③气凝胶真空材料。

研究人员利用“溶胶—凝胶”的方法来进行气溶胶制备，之后与GF毡进行混合，就能获得复合凝胶，在表面改性、老化等处理以后，在运用常压干燥这种技术，就能得到AIP绝热材料。通过测试，上述技术具备的材料导热系数0.0208W/（m·K），和EPS材料、GF材料相互对比，AIP材料性能更加优越，材料性能对比参数如表1所示。

表1 不同隔热材料性能参数对比

经实验，处于温度升高环境之下，AIP材料达到最高温度的时间相对较长，因此，和传统的隔热材料对比，AIP材料的低温波动的控制效果最好。

3.4 气凝胶混凝土

在现代化建筑当中，热量损失为建筑主要能耗，所以建筑在施工期间，保温、隔热能力的提升十分重要。气凝胶混凝土材料的隔热性、保温性都相对较好，和其他泡沫类混凝土材料对比，质量更轻，所以在现代化建筑当中应用广泛。传统建筑行业，超绝缘材料大多选择SiO2气凝胶，在混凝土当中添加体积分数60%气凝胶材料，就能得到导热系数0.26W/（m·K），密度1000kg/m3材料。研究人员对于此类材料导热系数、气凝胶占比之间关系进行分析，从而制作出气凝胶占比50%，导热系数在0.55W/（m·K）的材料。但是上述保温材料无论是导热系数，还是密度都相对较高。如果向混凝土当中添加超绝缘类气凝胶材料，可以将其导热系数、密度等降低，但是使用效果远远不如加入泡沫。除此之外，如果气凝胶加入量相对较高，还会增加成本，影响其工程化应用。

研究人员将泡沫、气凝胶同时向混凝土当中添加，制作三元气凝胶泡沫混凝土材料，因为材料质量本身较轻，颗粒具备支撑作用，所以气凝胶混凝土在和其他类型泡沫混凝土的密度相同的时候，成型效果、强度等更加优越，热导率更低。

4 结语

总之，建筑领域传统建材的应用由于其密度高，且热导率高，因此，可能出现使用寿命短、安全性能低这类问题，和当前建筑领域持续发展与节能降耗方面要求不符，还会制约行业的持续发展。因此，需要探索开发更多新型建材。气凝胶材料拥有低密度，高孔隙率的特点，既耐高温，又拥有良好的透光和隔热优势，所以，在建筑行业应用前景广阔。为了高效利用此材料，需要深入研究制备工艺，实现工业化生产，应用此类材料，改善建筑的耗能情况。