SiO2气凝胶在墙体保温材料中的应用

2022-03-01张维中孔令寒

建材技术与应用 2022年1期

□□ 张维中，孔令寒

(1.山西省建筑科学研究院有限公司，山西太原 030001；2.山西省建筑设计研究院有限公司，山西太原 030013)

引言

2020年9月，我国提出了碳中和的目标，力争在2030年达到碳峰值，努力争取2060年前实现碳中和，节能减排已经成为大趋势。建筑能耗是社会总能耗的重要组成部分，占比达到46.5%以上，墙体保温材料的使用可以大大减少建筑能耗，因此，节能高效的建筑保温材料已成为人们研究的重点。

目前主要的墙体保温材料分为有机类和无机类。其中有机类保温材料，如模塑聚苯乙烯泡沫塑料板、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板、酚醛板等，这类保温材料导热系数小、密度小，但是防火性能差；无机保温材料如岩棉、玻璃棉等，这类材料防火等级可以达到不燃级别，但是它们导热系数偏高，自重偏大。因此，生产一种导热系数小的不燃性建筑保温材料是当前建筑的迫切需求。

气凝胶是一种新型无机保温材料，它是目前世界上最轻的固体，具有高的孔隙率，达到99%以上，25 ℃时的导热系数可以达到0.013 W·m-1·K-1，具有极好的保温隔热性能；并且防火性能好，为A级材料，目前常见的几种保温材料的性能见表1[1]。由于其优异的性能，SiO2气凝胶已经在保温隔热、吸附、催化、光电等领域有了广泛的应用。在建筑领域，当前的研究主要集中在SiO2气凝胶制备以及SiO2气凝胶在建筑节能领域的应用。

表1 各种保温材料的性能[1]

1 SiO2气凝胶制备研究进展

SiO2气凝胶的合成主要分为三个过程，即凝胶的制备、凝胶的陈化和表面处理、凝胶的干燥。美国科学家Kistler在1931年以硅酸钠为原料使用超临界干燥法首次制备，但是该方法由于工艺繁琐、耗时、成本高，未能大规模推广，在之后的几十年里，研究者们通过改变制备SiO2气凝胶的硅源、改善凝胶制备工艺、改进凝胶的干燥技术来降低SiO2气凝胶的成本以达到大规模的应用。

当前常用的硅源主要有单一硅源和复合硅源两种[2]。王明铭等[3]以SiO2含量>50%的高硅粉煤灰为单一硅源，采用多酸一步催化、常温常压干燥法制备出导热系数为0.023 W·m-1·K-1，且具有优异疏水性能和保温性能的SiO2气凝胶。陈宇卓等[4]以甲基三甲氧基硅烷和水玻璃为硅源，通过共前驱体混合,常压干燥条件下制备得到疏水的SiO2气凝胶。通过研究发现混合前驱体中的乙醇、甲基三甲氧基硅烷、水玻璃的摩尔比为12∶3∶1时,制备的改性SiO2气凝胶具有良好的物理性能。

SiO2气凝胶的干燥方式以常温常压干燥与超临界干燥为主。李建平等[5]以正硅酸乙酯为硅源，采用CO2超临界干燥工艺制备SiO2气凝胶复合材料，通过研究不同超临界干燥工艺发现超临界CO2萃取干燥工艺制备的产品保温性优于液态CO2置换干燥工艺，且工艺更简单。超临界干燥法制备的气凝胶孔径结构完整，性能优越，但是其工艺条件严苛，设备昂贵，工艺周期长，因而常温常压的制备工艺受到人们的关注。姚鹏[6]以正硅酸乙酯为硅源常温常压干燥下制备得到SiO2气凝胶,其比表面积、保温性和疏水性等性能均有较好的表现，与超临界干燥法制备成品基本一致，可以达到使用要求。

SiO2气凝胶制备工艺也受到人们的关注。万郁楠等[7]以水玻璃为硅源采用溶胶凝胶-常温常压法制备SiO2气凝胶，并研究了水玻璃与水的比例、硅酸的pH、改性溶剂的比例和干燥条件对合成气凝胶的影响，得到了最佳的制备工艺。包志康[8]通过控制不同的工艺变量：硅源、原料配比、催化剂、后处理条件和干燥温度，并对制得的不同气凝胶进行表征得到性能最优的材料。该气凝胶比表面积达到851.7 m2·g-1，密度为0.13 g·m-3，导热系数为0.016 3 W·m-1·K-1。

综上可看出，制备SiO2气凝胶的硅源廉价，采用的常温常压干燥工艺操作简单、成本低廉，但工艺不成熟，产品性能较差。我国对气凝胶材料的研究还没有取得突破性的进展，因此，掌握隔热性能优越的气凝胶低成本制备技术仍迫在眉睫。

虽然气凝胶在防火、保温方面有着巨大的优势，但是纯的SiO2气凝胶力学强度低，这影响着它在节能保温领域的大规模使用。近些年来，大量的研究者通过将气凝胶材料添加到其他保温材料中，以此制得性能优异的保温材料。

2 气凝胶保温材料研究进展

2.1 气凝胶保温砂浆

万郁楠[9]通过将SiO2硅气凝胶添加到胶粉聚苯颗粒保温砂浆中来提升保温砂浆的保温性能和防火性能，当SiO2硅气凝胶添加量为3%时，保温砂浆导热系数减小25%，此时的综合性能最优。钱耀丽[10]利用憎水性气凝胶取代保温砂浆中的轻骨料，可使保温砂浆的导热系数降低，最小低至0.036 W·m-1·K-1，而材料的干密度和抗压强度不受影响。

2.2 气凝胶复合保温板/毡

徐志强[11]将SiO2气凝胶与纤维毡复合得到了气凝胶-纤维复合保温板。该复合板成本低，抗折强度高达1.5 MPa,且导热系数达到0.036 W·m-1·K-1，且具有优异的疏水性能和防火性能。杜柯等[12]以蜂窝聚苯乙烯泡沫塑料板为支撑制备了气凝胶蜂窝板，其导热系数随着孔隙率的增加而增大，与相同尺寸的挤塑板相比，导热系数可降低27.6%，具有更加优异的隔热保温性能。蒋颂敏[13]以硅酸铝纤维为骨架支撑材料，采用溶胶-凝胶的方法制备得到复合保温材料。通过探究纤维增加量的影响，发现纤维增加量与材料的力学强度和绝热效果密切相关，随着纤维用量的增大，材料的压缩强度先增大后减小，拉伸强度逐渐增大，热导率则是先降低后略微升高。

2.3 气凝胶混凝土

付平等[14]以气凝胶为填充材料，以机械发泡的方法制备了高性能泡沫混凝土。通过研究发现，气凝胶的加入降低了混凝土的导热系数、密度以及体积吸水率。当气凝胶的体积含量为20%时，气凝胶混凝土的密度降至512 kg·m-3，导热系数降至0.121 W·m-1·K-1，体积吸水率降低为32.2%，性能得到很大的改善。李朋威等[15]以气凝胶为填料制备了新型气凝胶泡沫混凝土，与普通泡沫混凝土相比，气凝胶的加入大大降低了其密度与导热系数，性能得到改善。除此之外，气凝胶玻璃、气凝胶涂料等也受到人们的广泛关注。