新型建筑隔热保温材料的研究进展及应用

许增贤 姜胜君 邢潇文 李虎

（1.山东省潍坊市建筑业发展服务中心，山东 潍坊 261000；2.山东中阳房地产开发集团有限公司，山东 寿光 262700；3.潍坊市市政工程设计研究院有限公司，山东 潍坊 261000；4.济南圣泉集团股份有限公司，山东 济南 250000）

当今，全球保温隔热材料正朝着高效、节能、薄层、隔热、防水一体化方向发展，我国目前城乡既有建筑面积430亿m，具备节能标准的还不到5%，在“十二五”期间，建筑节能建筑总面积累计超过21.6亿m，其中新建建筑面积16亿m，既有建筑改造5.6亿m。预计到2020年，全国建筑总能耗将达到节能65%。按这个标准，我国至少将会有130多亿m建筑需要进行建筑节能改造，这一空前巨大的市场必将冲击保温材料行业。因此，新型建筑保温材料的研制与应用越来越受到世界各国的普遍重视。

1 保温隔热材料研究进展

1.1 二氧化硅

二氧化硅气凝胶具有独特微观纳米结构使其具有低密度、高比表面积和高孔隙率的特点。这些特点使其在热学、光学、电学、声学等方面均有独特的优良性质，可应用于高效隔热保温材料、声阻抗耦合材料、低介电绝缘材料等，其中高效隔热保温材料的应用较为广泛。二氧化硅在保温隔热领域的主要应用产品形式有两种，二氧化硅颗粒和二氧化硅胶毡。对二氧化硅的改性成为近几年研究的热点Sohrab AlexMofida等等构造了具有空心结构的二氧化硅纳米球（HSN），这种空心结构能够显著降低导热系数，HSN的导热系在20～90 mW/（mK）之间。研究团队通过研究HSN的热性能与相应结构参数的函数关系，如内孔径、孔隙率、壳厚度和构成HSN壳的二氧化硅纳米颗粒的尺寸。合成尺寸小于100nm的二氧化硅纳米球，如图1所示，其热导率值降低到20mW/（mK）以下。此外，研究团队还还深入讨论HSN机理和合成方法，以及反应参数对HSN结构特征的影响。

图1 SEM图像显示了由（a）4mL、（b）5mL、（c）7mL和（d）15mL正硅酸乙酯制备的测量纳米二氧化硅颗粒，在PS模板周围形成单到双分子层，平均粒径（a）34纳米、（b）54nm、（c）67nm和（d）104nm。

XiangZhang等人制备了莫来石纤维/莫来石晶须的多尺度结构，并将其用于增强二氧化硅气凝胶，实现了莫来石晶须在莫来石纤维上的成功生长，其长度为5～10μm，直径约为100nm。莫来石纤维/莫来石晶须/硅气凝胶具有介孔结构，比表面积高达916.67m/g，同时具有0.034w/（m·K）的低导热系数和0.270g/cm的低密度。由于莫来石晶须的引入也提高了复合材料的强度，其压缩应力为1.32MPa（30%压缩应变），比空白样品提升187%，同时保持了88.5%的高回弹率，具有轻质、隔热、抗压弹性等性能，其显示出巨大的前景。如图2所示用不同浓度的Al（N0）溶液制成的多尺度莫来石纤维/莫来石晶须结构的微观结构。

图2 （a）0 mol/L，（b）0.1 mol/L，（c）0.3 mol/L，（d）0.5 mol/L

DongzhiTao等研究团队通过静电纺丝制备了绝热中空二氧化硅/聚丙烯腈（Si0-PAN）纤维纳米复合膜，空心二氧化硅以正硅酸乙酯为硅源，水热碳球为模板制备球。PAN纤维纳米复合膜的隔热性能通过空心二氧化硅球降低了纤维纳米复合膜的固体导电性。该复合纤维纳米复合膜具有柔韧性，其最佳导热系数为16mW/（m）·K），保持良好的隔热性能，并在硅油处理后变得疏水。如图3所示，经过疏水处理后的纤维复合膜相片，该膜为今后隔热材料的发展提供了新的思路。

图3 酒精灯上方经过疏水处理的纤维纳米复合膜的照片

ZhiLi等人在常压干燥条件下，成功制备了芳纶纤维增强二氧化硅气凝胶隔热复合材料（AF/气凝胶）。微观结构表明，芳纶纤维作为支撑骨架镶嵌在气凝胶基体中。FT-IR表明，AF/气凝胶是芳纶纤维与气凝胶基体之间的物理结合，所制备的AF/气凝胶的导热系数极低，为0.0227±0.0007 W·m·K，纤维含量为1.5%～6.6%。由于芳纶纤维的柔软性、低密度和优异的机械强度以及纤维分布的层状结构，使得AF/气凝胶呈现出良好的弹性和柔韧性。同时具有优良的热稳定性，TG-DSC表明其热分解温度高达290℃左右，AF/气凝胶在保温领域，具有广阔的应用前景。

Md AbdulMumin等人通过介孔反相微乳液技术在CdS-ZnS量子点（QDs）核上生长二氧化硅壳层，实现壳层厚度的精准控制，然后通过微型双螺杆挤出机将这些介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）与EVA颗粒进行熔融共混，并压制成浓度可变、厚度可控的薄膜。结果表明，此类介孔二氧化硅MSN的红外和热波性能与市售二氧化硅添加剂相比，即使在较低浓度下，EVA透明膜中的条带保留率也较高。并且MSN增强了量子点的量子产率和光稳定性，提高了可见光透过率，能够阻止下一代太阳能涂层紫外线透过。图4为CdS-ZnS量子点和介孔二氧化硅纳米颗粒SEM图。本研究提供了一种新的、简单的方法，通过在聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）薄膜中使用介孔二氧化硅/量子点纳米颗粒来控制这种热损失。

图4 （a）CdS-ZnS量子点（b）介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN），（c-e）CdS-ZnS量子点在氯仿中以不同的量子点负载浓度封装在介孔二氧化硅中的透射电子显微镜图像；（c）浓度分别为1mg/mL，（d）2mg/mL和（e）5mg/mL，（f）在EVA膜中装载MSNs封装的量子点；（g）CdS-ZnS量子点，（h）MSNs封装量子点和（i）MSNs封装量子点的粒度分布。

开发纳米多孔隔热材料是解决能源消耗问题的有效方法。JinpengFeng等人通过稳态法，采用新型干法成型技术制备气相二氧化硅隔热复合材料，并采用保护热板法测量导热系数。结果表明，该复合材料具有优异的隔热性能，提高热稳定性能的同时电导率为0.0205 W/mK。通过使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）进行微观结构分析，如图5所示，纤维表面由12μm厚的气相二氧化硅颗粒层改性，从而减少了固体传热，然而在500°C下隔热性能迅速下降，导热系数达到0.119 W/mK。基于这个问题，研究团队通过建立传热模型来解释这种复合材料的微纳米尺度传热机制。结果表明，在100℃时，气固耦合导热系数占78.3%，但仅为0.015 W/mK。随着工作温度的升高，辐射传热逐渐占据总传热的主导地位，在500°C时，辐射热导率达到0.101 W/mK，约占总热导率的93.3%。因此，辐射传热的增加是高温下隔热性能下降的主要原因。此外，该团队研究了不同温度下纤维质量比对导热系数的影响。将经验数据和模拟数据进行比较，结果表明，传热模型与实验结果基本一致，平均误差仅为4.78%。

图5 气相二氧化硅基隔热复合材料的FESEM图像

1.2 二氧化钒

二氧化钒（V0）是一种具有相变特性的过渡金属氧化物，能在68℃的相变温度点发生高温金属相和低温半导体相的可逆转变，同时伴随着电阻率、磁化率和光透过率的突变。基于其相变特性，二氧化钒可用作一种优良的热致变色材料。目前随着各国对建筑节能的日益重视，二氧化钒材料在隔热控温领域的应用已成为了研究的热点。

二氧化钒作为一种新型热致相变材料，在相变过程中红外透过率发生显著变化，是热致变色智能领域潜在应用的优良材料。提高V0的光学调制能力和耐久性是应用的关键。Zhouzhou Zhua等研究团队利用纳米研磨机制备了三种乙醇分散液：单斜V0、掺钨二氧化钒（WV0）和二氧化硅包覆掺钨二氧化钒（WV0@Si0），并以聚乙烯醇缩丁醛为成膜剂，采用刮削法制备V0复合功能膜，如图6所示为钨掺杂二氧化钒薄膜制备工艺。通过紫外光照射法初步评估制备的复合功能膜在交替加热和冷却循环中调节光的能力以及抵抗活性降低的能力。结果表明，与纯相V0薄膜相比，掺钨薄膜可以显著提高复合薄膜的光调制性能和耐用性。此外，Si0表面包覆结合引入抗氧化剂也有助于显著改善复合膜的光学性能和稳定性，经过65次高温和低温处理后，制备的复合膜在1500 nm处保持49.7%的红外调制效率，可见光透射率超过60%，显示出优异的智能热变色性能、循环稳定性，本研究有望为制备稳定的V0纳米材料及其在智能薄膜中的应用提供理论基础。

图6 钨掺杂二氧化钒改性方法及薄膜制备工艺

XinpengZhao等人开发易于安装的节能窗户改造材料，对降低建筑物的热负荷和冷负荷非常重要。该团队提出一种可见的透明隔热膜，以减少通过窗户的能量损失。通过将绝缘体-金属相变二氧化钒（V0）纳米颗粒嵌入超低导热气凝胶膜中，这种热致变色膜的隔热性能显著提高太阳能传输效率，并且可以根据环境条件进行动态切换，如图7所示，同时该团队也建立耦合的热传导和太阳辐射传热模型，以评估如薄膜厚度、纳米颗粒大小和浓度等对所制备薄膜的热性能和光学性能的影响。结果表明，3.0mm厚的薄膜可以获得约3.0w/（mK）的低U值和高的透光率＞60%，太阳能调制能力约20%。这种薄膜能够通过减少能量损失、改善热舒适性、避免寒冷气候下的湿气凝结和炎热气候下的过热，改善了单窗格玻璃的性能，在建筑外层幕墙玻璃具有较高的应用价值。

图7 由热致变色V02气凝胶混合（VAH）改装膜覆盖的单窗格玻璃的示意图

（a）热传递和太阳辐射在覆盖VAH膜的窗格玻璃上传递图示。

（b）V0气凝胶混合膜的结构。采用超低导热系数的透明气凝胶膜来减少导热损失。将随机分散的金属-绝缘体相变V0纳米颗粒包裹在气凝胶中，以便根据环境温度和太阳辐照度动态调节太阳能传输。

1.3 中空玻璃微球

中空玻璃微球（微球）是一种中空密闭的正球形、粉沫状的超轻质填充材料，外观为灰白或者灰色。密度在0.12～0.60g/cm，粒径为15～135um。具有重量轻、体积大、导热系数低、分散性、流动性、稳定性好等优点，此外还具有绝缘、自润滑、隔音隔热、耐腐蚀、防辐射、无毒等优异性能，加入到基体树脂中可有效降低材料密度而不过多降低材料的压缩强度，并且能够赋予此类复合材料优异的隔热性能。

JintaoSun等团队分别以玻璃纤维、WPU和HGM为骨架材料、粘合剂和绝缘填料制备玻璃纤维织物/中空玻璃微球（HGM）-水性聚氨酯（WPU）纺织复合材料，以研究HGM对玻璃纤维织物隔热性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）、拉伸测试仪、热常数分析仪和红外热成像仪分别测定了材料的横截面形态、机械性能、导热性和隔热性能。如图8所示GM/WPU的不同体积比对热稳定性的影响。结果表明，当HGM与WPU的体积比为0.8时，添加HGM可显著提高纺织复合材料的隔热性能，导热系数降低45.2%。该复合材料在外界温度为70℃时，内层能够达到17.74℃，具有非常好的隔热性能，同时该复合材料的拉伸强度从14.16 MPa提高到22.14 MPa。该研究团队设计的空心玻璃微球（HGM）是提高绝热材料高能的有效途径。

图8 HGM/WPU的不同体积比对热稳定性的影响。随着HGM体积分数的增加，纺织复合材料的导热系数降低。当体积比为0.4和0.8时，纺织复合材料的热导率值分别为0.1411和0.1154 W/（m·K），与不含HGM的材料（0.2104 W/（m·K））相比，分别降低了32.9%和45.2%。

DaweiZhang等人构建了基于中空玻璃微球（HGMs）的双层隔热涂层，并研究颗粒尺寸对阻隔性能和隔热性能的影响。改该配方是由水性双层涂料组成，主要包含环氧酯底漆和含HGM的硅丙面漆组成，如图9所示。将不同尺寸的HGM（20μm、40μm、60μm）浸入质量分数为3.5 wt%NaCl溶液中28d，再进行450 h的耐盐雾实验，并通过电化学阻抗谱评估涂层的阻隔性能，研究结果表明HGMs的加入能够降低涂层的阻隔性能，因为产生了颗粒/树脂的界面，便于水渗透。在含HGMs的涂层中，由于颗粒密度较低，尺寸较大的HGMs显示出相对良好的阻隔性能。平衡温较低表明，含有颗粒尺寸较小的HGM的涂层具有较高的隔热能力，因此HGMs可用于开发耐刮擦和耐冲击涂层。

图9 二氧化钛胶体在HGM表面的涂层和生长示意图

基于中空玻璃微球在建筑节能和工业保温方面具有巨大的潜力。JieLong等人采用溶胶-凝胶法在乙酸-乙醇溶液中制备出锐钛矿型Ti0改性的HGMs。结果表明，HGMs的改性能够极大地影响Ti0薄膜的负载和微观结构，通过添加乙醇和Ti0涂层可以精确控制Ti0的负载量。该团队提出了HGM表面Ti0的机理，氢键和静电力的协同作用导致HGMs和Ti0溶胶在pH值为3.5时紧密结合。同时该团队研究了不同Ti0负载率对反射和隔热性能的影响。结果表明，整个涂层含有15.9%的Ti0的HGMs的近红外反射率为96.27%，且涂覆在铝板的内表面温度能够降低22.4℃，Ti0/HGM复合材料具有优异的太阳能反射和隔热性能，因此在外墙和屋顶施工中具有潜在的应用前景。

1.4 二氧化钛

二氧化钛是一种白色颜料，为无色无味的粉体，它具有无毒，紫外线屏蔽高，遮光指数高，对光的散射能力强。以二氧化钛为主要填料的隔热材料可以显著屏蔽太阳热辐射热量，与传统的降温方法相比，不需要消耗能量就能够有效降低太阳底下物体的表面温度，从源头上组织热量向物体内部的传递，进而达到节能降温的目的。

Yan Bao等人以钛酸四丁酯（TBT）为原料，无水乙醇为溶剂，通过无模板溶剂热法制备出空心Ti0微球，如图10所示，该空心微球的制备工艺，通过调节反应时间和反应温度，实现精确控制空心Ti0微球的形貌。基于实验结果，空心Ti0的形成过程包括三个步骤：TBT水解后在高温高压下在乙醇中进行醚化反应形成Ti（0H）团簇，然后Ti（0H）团簇组装成实心球，以及实心Ti0球转化成空心Ti0球。此方法制备的空心Ti0球具有良好的隔热和热反射性能。

图10 具有空心结构的Ti02球的形成过程示意图

图11 180°C热反应12h后二氧化钛微球的SEM图像

AshwiniNawade等研究人员在室温下通过溅射生长铜（Cu）和二氧化钛（Ti0）的方法制备了透明太阳能散热膜应用于节能智能窗。该团队研究了沉积态超薄Ti0/Cu/Ti0多层膜的性能，多层膜的可见光透射率取决于Ti0层的晶体质量，通过原位纳米晶工程优化了溅射的Ti0薄膜，提高了纳米Ti0的结晶度。透明热调节（THR）涂层在室温下对可见光的透射率为70%以上，在1200 nm处的红外反射率为60%。利用光学表征、X射线衍射（XRD）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和原子力显微镜（AFM）分析了Ti0的结晶度和多层结构，此研究成果已成功应用于节能智能窗户。

为了解决从环境中吸收的红外热能引起的过热问题，YanliQia等人开发一种基于二氧化钛的制冷材料，即疏水性金红石型纳米Ti0、亲水性锐钛矿型纳米Ti0、未改性金红石型Ti0和未改性锐钛矿型Ti0，并应用于制冷材料，具有较高的太阳能反射率和优良的隔热性能。该团队所选用的复合树脂为聚（丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯）（ASA），具有优异的耐候性。通过研究表明，当疏水型金红石纳米Ti0颗粒（5 wt%）加入后ASA/Ti0杂化材料在整个近红外光谱中的反射率为45.2%，在整个太阳光谱中的反射率为59.4%，在8～13μm区域的热发射率为0.87，2.5～15μm区域为0.86，如图12所示，随着时间的延长，不同类型二氧化钛对温度变化的影响。高太阳反射率和高热发射率导致冷却材料具有优异的冷却性能。同时，与未负载的ASA树脂相比，显示出优异的冷却性能。具体而言，在使用太阳模拟器进行的室内温度测试中，可观察到34°C时最大下降，在自然太阳辐射下进行室外测试时，可达到10°C的下降。特别是添加疏水性金红石纳米Ti0颗粒的样品的接触角为103°，形成疏水表面。此外，在材料具有优异的耐候性，满足户外使用的严格要求。

图12 ASA和ASA/Ti02杂化材料的冷却性能

ZhetaoZhang等人以地质聚合物（主要由硅酸钠溶液和偏高岭土制成）作为主要成膜材料，添加绢云母粉、滑石粉、二氧化钛和中空玻璃微球作为填料制备反射隔热涂层，是一种新的环保型无机涂料，具有良好的保水性、施工工艺简单、具有高耐久性、耐脏性、高反射性和显著的隔热性能。研究结果表明，二氧化钛含量约为12%，空心玻璃微球的产率为6%时能够形成高反射隔热涂层，反射率超过90%，隔热性能（内外表面温差）高达24℃，并且绝缘性能达到国家标准（GB/T25261—2010）。

由于二氧化钛（Ti0）作为隔热反射的主要材料，在应用过程中会影响膨胀型涂料的性能。ThirumalMariappan等人研究研究Ti0对水性膨胀涂料隔热性能的影响，制备了五种膨胀剂，其中Ti0与聚磷酸铵（APP）的重量比不同，包括不含Ti0的涂料作为对照样品。采用热重分析（TGA）和定制的可编程加热炉分别测定了膨胀型涂料的热性能和隔热性能。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-0ES）分析了组成。结果表明，两种成分（Ti0∶APP）的比例对膨胀型涂料的性能起着关键作用，稍微过量的钛磷化学计量原子比（Ti∶P）对膨胀型涂料具有更好的隔热性能。

2 隔热保温材料的发展趋势

在建筑保温材料方面，我国已有20多年的发展史，而且在研制以及生产方面都取得了一定的成果，但是与发达国家相比仍然有很大的差距。随着我国对节能减排的大力提倡，建筑保温材料也会得到迅速的发展。

2.1 向轻质化发展

建筑保温材料的隔热性能与其密度成反比，而且，轻质的保温材料可以减少地震作用下结构所受的作用力。因此随着我国房屋体系的不断发展，建筑保温材料也必然会向轻质化方向发展。

2.2 向绿色化方向发展

绿色化建筑材料是建筑业发展的一个方向。绿色化包括材料来源绿色化、生产加工过程绿色化、产品的使用过程绿色化以及产品功能失效以后的回收再利用绿色化。例如目前的有机质发泡保温材料采用绿色植物纤维代替氟利昂作为保温材料。

2.3 功能多样化方向发展

每种建筑保温材料都有各自的特点，例如无机保温材料强度高、耐高温但不利于机械化生产而且吸水率很高；有机保温材料保温隔热性能优异，但容易老化并且强度很低，存在着一定的防火安全隐患。复合型保温材料能够将有机保温材料和无机保温材料进行很好的融合，发挥出各自的优势，弥补各自的不足之处。

2.4 透明保温材料

目前国内比较常用的透明保温材料包括气凝胶、玻璃纤维保温材料、聚丙烯酸泡沫塑料、聚碳酸醋蜂窝塑料。其中，前两类属于无机保温材料，后两类属于有机保温材料。透明保温材料适用于温带或者寒冷的地区中有强烈太阳光照射的区域，当日照不够的时候，透明保温材料能够有效保持室内的热量；当日照充裕的时候，透明保温材料又直接通过太阳辐射吸收热量传递到室内。

3 结语

随着国家有关节能降耗政策和法规的出台以及建筑行业的迅猛发展，加强新型建筑节能材料的开发与应用已经成为必然的趋势。目前，应用的外墙保温技术及节能材料由于本身存在的缺点不能被广泛推广，只有在推广外墙保温技术的同时，大力发展新型外墙节能保温材料，才能真正地实现建筑节能，并且实现高效、节能、薄层、隔热、防水一体化发展。