建筑隔热材料的制备及性能研究

王方雷

新疆国统管道股份有限公司 新疆 乌鲁木齐 831407

引言

当前，随着国内经济的快速发展和城市化进程的加快，能源的消耗量不断增加。其中，建筑能耗增长压力巨大，存在住房规模大、能耗高的现状。根据《2018年中国建筑能源研究报告》，如果以2020年中国能源消费为例，如图所示，建筑总能耗为8.99亿吨标准煤，占全国指标的20.62%。其中，公共建筑能耗3.46亿吨标准煤，占建筑能耗总量的38.53%。城市住宅能耗为3.39亿吨标准煤，占建筑能耗总量的37.71%。农村住宅用电量为2.14亿吨条件煤，占建筑总用电量的23.76%。为了节约能源和保护环境，相关部门制定了一项减少碳排放的计划。目前，我国的碳减排工作已进入全面控制战略阶段，目标是到2030年左右达到建筑物总能耗的峰值。为完成国家碳减排目标并且基于可持续发展的要求，降低建筑的能耗势在必行。

图1 2020年中国能耗构成

1 建筑隔热材料

1.1 常见的建筑隔热材料

建筑绝缘材料有很多种，其中最常见的是无机绝缘材料和有机绝缘材料。无机材料不易燃，有机材料具有吸水性低、耐水性好的特点。此外，在选择建筑隔热材料时，应考虑原材料的广泛可用性。建筑业常用的绝缘材料包括发膨胀蛭石、聚氨酯、铝硅棉、矿棉等。

膨胀蛭石来源广泛，价格低廉，隔热性能高。聚氨酯是一种聚合物复合材料，常用于建筑、家居、生活用品生产等领域。硬聚氨酯塑料具有良好的隔热和隔音性能。此外，由于聚氨酯具有良好的弹性，弹性体在其性能上介于塑料和橡胶之间，也被广泛应用于鞋类和医疗行业。

1.2 珍珠岩在隔热

目前已经有一些专家对珍珠岩在隔热领域的应用进行了相关研究。

康鹏等人采用真空浸渍法将硬脂酸（SA）和月桂酸（LA）低共熔混合物吸收到膨胀珍珠岩（EP）的孔中制备了一种用于墙板形态稳定的复合相变材料（PCM），经测试该复合材料可以作为建筑节能实际应用中的高效保温材料[1]。付路路等人制备了一种六水氯化钙膨胀珍珠岩复合材料，与泡沫保温砖相比，PCM砖作为试验房屋顶时，具有降低室内最高温度，使室内温度上升滞后的作用[2]。该复合材料具有良好的蓄热保温性能，适用于建筑节能。

阿里加勒比等人通过在EP / PA 复合材料表面沉积GO膜，制备出具有增强的导热性和泄漏承载性能的膨胀珍珠岩/石蜡/氧化石墨烯（EP / PA / GO）的新型相变材料（PCM）。此外，阿里加勒比等人制备了复合新型相变材料（PCM），并测定了该材料的热性能，分别为热可靠性、热导率，并发现该材料具有低导热率和优秀的热稳定性能[3]。

布拉兹·斯库比克等人采用1.8kW，2.45GHz微波源的多模微波加热器，研究了含有膨胀珍珠岩和无机黏结剂的新型无机保温板的微波干燥过程。同时，他们开发了一个3D非稳态数学模型，并考虑微波能量指数衰减和微波腔内不均匀功率分布的朗伯定律，进行温度和干燥速率的预测。此外，他们将规定粒度的膨胀珍珠岩和硅酸钠溶液混合，并将混合物压制成型，在微波腔中干燥成板，然后对干燥板进行高温热处理[4]。该研究[5]开发了基于有限差分的烧结行为预测数学模型，并确定了新型膨胀珍珠岩基隔热板的相应烧结动力学模型。

1.3 硅藻土隔热

Kizelgur是一种硅岩，约80%~94%的SiO2由硅藻的残余物组成。类似于莲花，具有吸水性，它可以吸收2~4倍的水，与自身体积相比。因为这种特殊结构，研究人员常常将硅藻土与其他材料复合，研究改性材料的性质，硅藻土的改性研究在各个领域都有所涉及。

1.4 二氧化硅气凝胶

气凝胶又被称为干凝胶，是指凝胶中的液体比固体少很多或者凝胶骨架中充满气体而外表是固体的物质，具有纳米级别的网格空隙结构。根据制备气凝胶的材料种类的不同，可以分为有机、无机、复合三种气凝胶。无机气凝胶是具有较大比表面积、低密度、低导热系数和高孔隙率的轻质材料，因此应用广泛，在工业民用、航天军事方面都有不错的表现，可以作为绝缘材料、保温材料、防火材料、防水材料、减震材料、降噪材料使用。此外，在溶胶—凝胶体系下制备，通过将不同种类的前驱体溶液混合，也就是对气凝胶进行掺杂，能够得到具有特定功能的复合气凝胶。无机气凝胶的代表之一是SiO2气凝胶，它是一种硅材料在外面和空气中的新型材料。SiO2气凝胶具有密度低、导热系数低等的特点。由于SiO2气凝胶中的毛孔会阻塞空气，引起空气中的零对流，因此可以有效地阻碍固体和气体的导热。

1.5 纤维素与气凝胶

目前，促进可持续发展、提高生态效率和改善工业生态环境的努力催生出一系列生物绝缘材料的发展，由于生物质在地球上有着很广泛的分布，且来源丰富，其成本也低下。因此，生物相容性和生物降解性都很高，属于可再生资源，所以研究它们的性质和应用具有较大的价值。纤维素是其中的一种重点研究对象，纤维素作为一种广泛存在于植物中的物质，是植物细胞壁的主要组成成分，是一种大分子多糖。但由于纤维素不溶于水和普通溶剂，柔韧性差，具有可燃性，导致它在一些领域的应用受限。因此，人们逐渐开始研究由纤维素所制备出来的气凝胶，在很多个研究中可知，纤维素气凝胶提供了令人印象深刻的优良性能，如低热导率、低热膨胀、高强度和弹性模量、生物相容性和可持续性。

2 改性珍珠岩和硅藻土隔热性能研究

稀土是元素周期表中17种元素的总称，由镧系的15种元素及与镧系密切相关的两种元素钇（Y）和钪（Sc）组成[6]。由于稀土在磁、光、电方面具有优异的性能，仅需少量的稀土就能改进产品的功能，稀土也被称为“工业维生素”，在化工、陶瓷、催化、医药等方面都有广泛的应用。中国稀土储量曾经一度占世界总储量的70%左右。但由于21世纪初前后大量出口，以及国内稀土企业竞争激烈，压低了稀土价格，钕、铽、镝、铕等宝贵的稀土短线产品被低价外销，而铈、镧、钇等产品大量积压。因为铈和镧的价格相比于其他稀土元素低，所以研究人员常常利用这两种稀土元素的化合物进行复合材料的制备及改性。

目前，稀土在建筑隔热材料中的应用较少，因此，在珍珠岩和硅藻土中引入稀土材料，研究复合材料的隔热性能，具有一定的创新性。本章采用浸渍法将Ce(NO3)3‧6H2O或La(NO3)3‧6H2O对珍珠岩和硅藻土按照不同的比例（5%和10%）进行改性，然后对复合改性材料进行结构表征与隔热性能测试，研究其隔热性能。

3 二氧化硅气凝胶隔热性能研究

SiO2气凝胶具有密度小、热导率低等特点，是一种在众多领域应用的高性能产品，可以作为绝缘材料、防火材料、防水材料、减震材料、降噪材料使用，但是关于SiO2气凝胶在建筑隔热墙板方面的应用的研究较少。

本节参考了朱东俊[7]论文中的方法，以硅酸四乙酯作为硅源，通过溶胶—凝胶法和真空冷冻干燥技术制备SiO2气凝胶，通过结构表征测试观察SiO2气凝胶的形貌结构[7]。此外，将珍珠岩与制备的SiO2气凝胶按照不同比例掺杂制成样板，进行隔热性能实验，间接得到 SiO2气凝胶的隔热性能。

但由于SiO2气凝胶脆性大、不易成型，在实验室的条件中只能制备40%含量的SiO2气凝胶，未来研究方向主要是改进压板工艺，寻找更合适的黏结剂。

4 改性纤维素气凝胶隔热性能

纤维素作为一种植物中广泛存在的物质，具有良好的可再生性，但由于纤维素不溶于水以及一般的溶剂，柔顺性很差，具有可燃性，限制了纤维素的应用。因此，研究人员逐渐开始研究纤维素制备的气凝胶，众多研究结果表明，纤维素气凝胶有很多优良性能，如低热导率，低热膨胀，高强度和弹性模量，生物相容性和可持续性等。然而，纤维素气凝胶仍然具有和纤维素一样的缺点，即可燃性，这阻碍了它们在阻燃隔热方面的应用。在此基础之上，降低该纤维素气凝胶的可燃性，同时提高其隔热性能成为目前主要的研究方向。有研究显示复合材料比原材料更有优异的隔热性能[7]。

本节参考了朱东俊论文中的方法，将碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾这几种无机化合物作为添加剂制备改性纤维素气凝胶，并通过结构表征测试和隔热性能测试，挑选出其中隔热性能最好的改性纤维素气凝胶。然后将性能优越的改性纤维素气凝胶和SiO2气凝胶以及珍珠岩制成复合样板，研究其隔热性能。

5 结束语

目前很多的研究仅停留在实验室阶段，因为实验室的压板设备采用的模具尺寸、压强有限，还不能精准掌握所制备样板的强度、力学性质，从而产生一定的误差，因此，未来需要进一步研究样板的力学性质并改进。且单纯的SiO2气凝胶和纤维素气凝胶脆性大、不易成型，在实验室的条件中只能制备含有少量气凝胶的复合样板，且制备周期较长，大量生产比较耗时。因此，提高改善生产工艺、增强生产效率是未来的研究方向之所在。