纳米孔绝热材料的应用现状及前景

2023-09-13钱晨

山西化工 2023年7期

钱晨

（苏州科技大学，江苏苏州 215101）

0 引言

一般将具有保温作用或者隔热功能的材料统称为绝热材料。传统的绝热材料根据材质的不同可以分为有机绝热材料和无机绝热材料两种。有机绝热材料主要包括聚氨酯发泡剂等；无机绝热材料主要包括纤维状材料（如矿棉）、粒状材料（如膨胀蛭石，膨胀珍珠岩）等。无机绝热材料相对有机绝热材料来说更安全更环保，但传统的无机绝热材料的保温效果却不尽人意，而且还有易吸水的弊端。由此，一种新颖且高效的隔热材料—纳米孔绝热材料出现在大众视线中。

1 纳米孔绝热材料的概述

1.1 纳米孔绝热材料的概念及特征

纳米孔绝热材料是将材料内部孔径直接制备成低于气体分子热运动平均自由程且具有立体三维网络结构的纳米级孔径的绝热材料。

纳米孔绝热材料主要有四个特征[1-2]：体积密度小，通常小于300 kg/m3；孔隙率高；孔隙小，所有孔隙皆小于100 nm，符合纳米材料的规定，此外，还有80%以上的孔径小于50 nm；比表面积高，通常在50～1 000 m2/g 范围内。

1.2 纳米孔绝热材料的绝热原理和绝热性能

在绝热材料中，主要是通过固体和气体的热传导，还有热对流和热辐射来完成热量传递。一般会从调整材料性能和微观结构的角度，来局限以上三种热量传递方式，从而使绝热性能发挥到极致。

1）在固体和气体的热传导方面。纳米孔独具的立体三维网络结构导致材料中的热流只能围绕气孔内壁传递，有效地降低了固体和气体的热传导能力。此外，纳米孔绝热材料的体积密度很小，这也降低了固体热传导。

气体在存在温差时，是由高温侧和低温侧的分子相互碰撞来完成热量传递的。但是纳米孔绝热材料中的孔隙皆小于100 nm，其中还有大部分的孔径小于气体分子的平均自由程，这导致气体分子失去相互碰撞的能力，只能与气孔壁发生弹性碰撞而不能在气体分子间进行热传递，很大程度上限制了气体的热传导作用[3]。

2）在热对流方面。鉴于纳米孔绝热材料的气孔均为纳米尺寸，且大部分的孔径小于50 nm。因此可以把其当作理想封闭气孔，而正因如此，使得材料内部的空气分子基本无法进行宏观运动，从而极大程度上局限了对流传热。

3）在热辐射的方面。因为无穷多遮热板效应，热辐射的传播能力大大被降低。但出于其对高温红外辐射具有良好透明性的特征，最好再在材料中添加遮光剂，从而使高温时材料内部的辐射传热能够有大幅度降低的效果[4]。

也正因为材料内部的三种热量传递方式都被有效限制，所以纳米孔绝热材料相较于传统无机绝热材料，有着无法忽视的性能优势，其绝热性能显著优于后者。

2 纳米孔绝热材料的应用现状

纳米孔绝热材料起初主要在宇航工业和核潜艇等军工领域中被应用。后来其生产成本渐渐下降，且随着当下环保风、节能风的兴起，纳米孔绝热材料在交通、工业、民用、医学、建筑等其他领域开发了许多潜在市场。

2.1 航空航天及军事领域

纳米孔绝热材料的绝热性能优良。相较于传统绝热材料，更小质量更小体积的SiO2气凝胶就能达到和前者同样的绝热效果。这一良好特性使其被应用在航空航天和军工领域中。例如，我国的DF-xx 系列远程火箭的热电池保温系统、我国的火星探测漫游车“天问一号”以及我国的军工船舶领域等等。

2.2 交通领域

在轨道交通领域，我国的要求是尽量使用国产技术。而相较于其他传统绝热材料，采用防火性能优秀的气凝胶毡不仅可以降低保温层厚度、保温材料的质量，而且施工方便。

在新能源汽车领域，通过在电池模组和模组之间用气凝胶产品进行隔热保护，通过给电池箱外部装保温绝热层，可以使电池在低温下也有良好的性能，可以有效减少发生电池事故时带来的危害；通过在电池舱与客舱之间铺设气凝胶绝热层，可以阻挡电池意外燃烧时的火势蔓延，可以给乘客争取逃生时间。

2.3 工业领域

在冶金、石化、化工等工业领域中，普遍存在管道、窑炉及其他热工设备热损耗较大的问题。而采用纳米孔绝热材料来替代传统的保温材料，便可以有效地达到热能损失大幅度减少，热能利用率大幅度提升的效果。例如，用纳米孔绝热卷毡包覆管道，可以对管道中的热流起到很好的隔热保温作用；用纳米绝热板改造加热炉内衬，可以很好地减少炉体表面散热损失。

2.4 民用领域

在我国阳光充足但气候寒冷的西北地区，太阳能热水器对当地人民的日常生活尤为重要。而且正因为太阳能热水器的发明，大大减少了当地人们对燃料的依赖，这对生态的保护具有重要意义。而将纳米孔绝热材料应用于太阳能热水器的储水箱、管道、集热器这三个部分，可以使太阳能热水器的集热效力、保温隔热性能大大提高，减少热损失，使其更加节能环保。

除了太阳能热水器以外，日常生活中仍有许多电器应用了纳米气凝胶绝热材料，例如冰箱、烤箱、碗筷消毒柜等等。

2.5 医学领域

藻酸盐气凝胶的高孔隙率使其具有优良的生物可降解性和生物相容性，因而在医学领域中这类藻酸盐有着广泛的应用[5]。迄今为止，它被主要应用在人造器官、人造组织和人造组件等。气凝胶的生物特性与药物抑制释放而形成的体系十分契合，例如，当藻酸盐气凝胶被用在肠胃外给药体系时，不仅能稳定地降解，还能在生物体内继续进行一些无毒降解。

目前医学领域的最新技术是通过在气凝胶表面覆盖聚合物涂层，以此来管制不合理的药物的释放，以此改善液体渗透对气凝胶结构的破坏情况。

2.6 建筑领域

相较于传统建筑保温材料，纳米孔绝热材料中的气凝胶具有低密度、高绝热等优点，这种材料在隔热、隔音领域中有很好的应用前景。它在建筑上的实际应用主要有以下四种形式：气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板、气凝胶玻璃。下面简略介绍一下气凝胶在建筑节能领域的应用：

1）建筑门窗可以用到气凝胶玻璃。相较于用硅酸盐材料制成的玻璃，气凝胶玻璃不仅能使房屋取暖耗能更少，还能阻挡阳光的直射，起到防辐射的效果，同时，它的透光性、视觉效果也不输于传统材质的玻璃。

2）建筑管道可以用到气凝胶毡，气凝胶毡是一种具有超高隔热性和疏水性的理想保温材料，它的柔性与抗压抗拉性也十分不错。它不仅施工方便快捷，保温性能也明显优于其他材料。

3）建筑墙壁和屋顶可以用到气凝胶板，气凝胶板是一种低热导率、低密度、高阻燃性的理想保温材料，不仅如此，它还有吸声降噪的功能，可以有效隔绝外界的噪声。

4）涂料中可以加入气凝胶粉体搭配做成具有保温效果的保温涂料，起到补充保温的作用。这种保温涂料不仅可以用作于外墙体的保温，还可以用作于建筑内墙、建筑顶部、建筑底部的保温。

综上，不难看出纳米孔绝热材料凭借着其特殊的结构及优秀的绝热性能，已经在众多领域中获得了一席之地，这在环保和节能方面，对于我国有着重要的现实意义。

3 纳米孔绝热材料的前景

目前，纳米孔绝热材料有着不容小觑的发展前景，国内外都十分重视对于其各方面特性的研究和开发，而且已经取得了一些成绩。当前，我国对纳米孔绝热材料的制备工艺进行了优化，但是纳米孔绝热材料仍然存在以下问题。

1）工艺及生产成本问题。纳米孔绝热材料通常采用超临界干燥或常压干燥工艺制备，超临界干燥工艺对生产设备条件要求太过苛刻，生产成本高，难量化；常压干燥工艺虽然生产成本较低，但是产品的质量却无法被保证。目前，国内外的研究热点之一是快速制备纳米粉末基复合绝热材料。研究较多的快速制备方法主要为干法成型工艺和湿法成型工艺。其中，干法成型工艺制备的纳米粉基复合绝热材料导热系数低，制备工艺简单，但其缺乏有效粘接，易掉粉，无法制作形状复杂的产品。而相较于干法成型，湿法成型虽然制备工艺稍稍复杂，但是能更好地使组分分散均匀，有效减少粉尘的产生。浇注成型是湿法成型的一种，宜采用此方法制备气凝胶复合砂浆，不仅施工方便，而且保温性能优异，用于形状不规则的场所十分方便，但其热导率较高[6]。因此，研发出低成本、简工艺且性能优异的纳米孔绝热材料仍是今后研究的主要目标。

2）力学性能脆弱。由于纳米孔绝热材料超高的孔隙率，使得气凝胶力学性能脆弱，从而阻碍了其应用。虽然目前有现行的方法可以显著改善其力学性能，但是这些方法也使新的问题接踵而来。例如，气凝胶与纤维复合虽然在一定程度上可以改善气凝胶脆弱的力学性能，但采用纤维作为增强相，非但没有在根本上解决其力学性能弱的缺点（因为它没有使气凝胶和增强体之间形成化学键），而且还会导致气凝胶极易从纤维层中剥落以及出现掉粉问题；气凝胶与聚合物复合虽然可显著提升无机气凝胶的力学性能，但是聚合物的化学式量一般较大，会使材料密度增加；而且聚合物通常不耐高温，这样复合之后会失去良好的阻燃性能，无法再应用于高温领域。因而，未来纳米孔绝热材料的研究方向中一定有一项是去寻找可以在保证其他性能不受影响的情况下，还能改善力学性能的方法。

3）高温热稳定性。目前，SiO2气凝胶的研究最为成熟，应用最为广泛。但是SiO2气凝胶服役温度较低，在650 ℃以上的高温环境，它就难以胜任了，需要使用Al2O3气凝胶或者ZrO2气凝胶等金属类的氧化物气凝胶来替代。而这类金属氧化物气凝胶的服役温度虽然有所提高﹐但是它们的制备工艺还不够完善﹐迄今仍停留在实验室阶段。此外，纳米粉末基复合隔热材料最高服役可达800 ℃，但是仍存在更苛刻的无法使用的条件。因此，为了提升绝热材料的高温热稳定性，研发有效高温收缩抑制剂迫在眉睫。

4）复合材料问题。纳米孔绝热材料虽然绝热性能优异，体积密度小，但它也有着很多不足的地方，所以开始将其与其他材料复合，希望能弥补其自身缺陷，从而制备出所需的理想绝热材料，比如，碳气凝胶，它的导电性能良好，热导率低，且绿色环保无污染。在各行各业中，对绝热材料有着不同的要求，因此，纳米复合绝热材料的创新和开发一定是未来的研究发展方向之一。

5）寿命问题。关于纳米孔绝热材料使用寿命这个领域，鲜有人涉足，因此它的时效性和可行性有着一部分的局限。未来可以在这个方向开展研究使得局限消除。