王 虎，劉明輝，孫曉瑜，魏 莉

(沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

自1970年代能源危機(jī)以來，建筑節(jié)能就引起了人們的極大關(guān)注。按照目前的消耗速度，煤炭?jī)?chǔ)量約在130年內(nèi)消耗完，天然氣約在60年內(nèi)消耗完，石油在40年內(nèi)消耗完[1]。建筑行業(yè)作為最大的能源消耗和溫室氣體排放源(建筑能耗占世界總能耗的36%和CO2排放占世界CO2排放總量的39%[2])，是造成溫室效應(yīng)、大氣污染、環(huán)境惡化等一系列問題的主要原因，建筑節(jié)能已然成為21世紀(jì)第三個(gè)十年中最重要的全球性課題之一。

研究表明，70%以上的建筑能耗是由維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱造成的，減少維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱能耗對(duì)降低建筑能耗至關(guān)重要，關(guān)鍵措施是應(yīng)用性能優(yōu)異的保溫隔熱材料。即使在大多數(shù)國(guó)家使用保溫隔熱材料30年后，保溫隔熱材料的研發(fā)也一直是熱點(diǎn)。如果沒有高效保溫隔熱的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，近零能耗建筑以及零能耗建筑幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的[3]。SiO2氣凝膠是近年來出現(xiàn)的新型保溫隔熱材料，它具有超低導(dǎo)熱系數(shù)、耐火不燃、透明、環(huán)保、疏水、無毒、輕質(zhì)等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)保溫隔熱相比擁有更大的功能優(yōu)勢(shì)，是目前最先進(jìn)且最具潛力的超級(jí)保溫隔熱材料，在建筑節(jié)能領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。本文首先簡(jiǎn)要介紹了SiO2氣凝膠的制備方法、性質(zhì)及保溫隔熱機(jī)理，最后總結(jié)了SiO2氣凝膠在建筑保溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 氣凝膠保溫隔熱材料

氣凝膠作為一種新型絕熱材料，1931年由美國(guó)斯坦福大學(xué)學(xué)者Stephan Kistler首次制備而成[4]，但直到最近二十年才引起了人們對(duì)這種材料的極大興趣。2015年后，SiO2氣凝膠因其絕佳的保溫隔熱特性在我國(guó)逐漸開始生產(chǎn)和應(yīng)用。

1.1 SiO2氣凝膠的制備

SiO2氣凝膠制備方法有多種，最典型的是醇鹽溶膠-凝膠工藝。主要分三個(gè)階段，合成示意圖見圖1[5]。第一階段通過添加催化劑的前驅(qū)體溶液(硅源)制備凝膠。第二階段凝膠在水中或母液中老化。該過程賦予了凝膠更高的強(qiáng)度和剛度，防止在諸如常壓干燥等干燥過程中強(qiáng)大的毛細(xì)力作用下，孔隙中的凝膠塌陷。第三階段對(duì)老化后的凝膠進(jìn)行干燥。干燥是為了把凝膠孔隙中未反應(yīng)的溶劑和水除掉，讓氣體分散介質(zhì)充滿在孔隙中，決定了SiO2氣凝膠的質(zhì)量和性能是否優(yōu)異。目前，最常見的干燥技術(shù)有3種，分別為常壓干燥、超臨界干燥和真空冷凍干燥。

圖1 SiO2 氣凝膠制備過程

1.2 SiO2氣凝膠的性質(zhì)

SiO2氣凝膠獨(dú)特的三維納米網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)賦予其無與倫比的特性。SiO2氣凝膠內(nèi)部96%以上的成分是由氣體組成，孔隙率高達(dá)85.0%～99.8%，輕若薄霧顏色泛藍(lán)，故又被稱為“藍(lán)煙”。因此，當(dāng)其加入到復(fù)合材料中時(shí)會(huì)降低材料的整體密度，從而降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重量。SiO2氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)低至0.013 W/(m·K)，適用于-200～800 ℃的溫度范圍，應(yīng)用到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上可顯著提高建筑的保溫隔熱性能。SiO2氣凝膠防火等級(jí)為A1級(jí)，即使發(fā)生火災(zāi)時(shí)也無有害氣體放出，綠色環(huán)保。SiO2氣凝膠可見光波段內(nèi)的透過率高達(dá)90%以上，相對(duì)折射率接近于1，具有透明和半透明之間的光學(xué)特性。SiO2氣凝膠縱向聲傳播速率為100 m/s，也可用作隔音材料和吸音材料。

SiO2氣凝膠強(qiáng)度低、韌性差，單獨(dú)使用往往無法滿足建筑用力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。普通SiO2氣凝膠孔道內(nèi)有大量硅羥基，與空氣中水接觸會(huì)吸水而開裂，結(jié)構(gòu)坍塌，致使性能嚴(yán)重下降?？捎萌谆柰橹惖谋砻嫘揎椧喝〈枇u基，由親水轉(zhuǎn)疏水。SiO2氣凝膠近紅外波段透過性強(qiáng)，致使高溫隔熱性差，需添加紅外遮光劑來增強(qiáng)對(duì)高溫紅外線輻射的抵抗[6]。

1.3 SiO2氣凝膠的保溫隔熱機(jī)理

SiO2氣凝膠基體中的傳熱主要包括：固相導(dǎo)熱、氣相導(dǎo)熱和紅外熱輻射三部分。對(duì)于納米多孔保溫隔熱材料來說，固相熱導(dǎo)率與密度和孔隙率有關(guān)，氣相熱導(dǎo)率受孔徑尺寸、孔徑分布和孔體積等因素的影響。SiO2氣凝膠的低密度和高孔隙率是保持較低固相熱導(dǎo)率的關(guān)鍵。SiO2氣凝膠孔內(nèi)分散的氣體主要為N2和O2，氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程大于SiO2氣凝膠的孔洞尺寸，氣體分子碰撞幾率幾乎為零，熱對(duì)流傳熱很低，氣相導(dǎo)熱系數(shù)極小。SiO2氣凝膠中大量孔隙形成無數(shù)個(gè)界面對(duì)熱輻射的反射、折射、吸收作用可大大抑制熱輻射導(dǎo)致的熱量散失[7]。

2 SiO2氣凝膠在建筑保溫隔熱中的應(yīng)用

作為一種新型材料，SiO2氣凝膠價(jià)格一直較高，因此很少用在建筑領(lǐng)域。近年來，隨著制備SiO2氣凝膠的工藝不斷改進(jìn)，產(chǎn)量不斷增加，其價(jià)格也在不斷下降。因出色的絕熱特性，人們一直沒有放棄將SiO2氣凝膠在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用的努力。SiO2氣凝膠在建筑保溫隔熱中的應(yīng)用形式通常為復(fù)合材料制品，且具有多種形態(tài)，包括SiO2氣凝膠玻璃、SiO2氣凝膠水泥基復(fù)合材料、SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料、SiO2氣凝膠涂料以及其他新型SiO2氣凝膠復(fù)合材料。

2.1 SiO2氣凝膠玻璃

SiO2氣凝膠玻璃通常是指將氣凝膠填充到兩片玻璃中間，形成一種“三明治”結(jié)構(gòu)，可分為整塊狀填充和顆粒狀填充兩類。Duer和Lampet[8]發(fā)現(xiàn)整塊狀SiO2氣凝膠在玻璃窗戶單元展現(xiàn)出優(yōu)異的絕熱性能。但由于整塊氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度較弱，大規(guī)模制造時(shí)往往會(huì)由于其脆性而出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致市面上幾乎沒有整塊填充氣凝膠玻璃。為了擴(kuò)大整塊氣凝膠玻璃的生產(chǎn)，Bhuiya等[9]通過熱處理去除了SiO2氣凝膠生產(chǎn)中的殘留溶劑，并將玻璃透明度提升了10%，生產(chǎn)成本卻過高。Zinzi等[10]通過快速超臨界萃取技術(shù)生產(chǎn)了價(jià)格相對(duì)合理的整塊狀SiO2氣凝膠，但獲得的SiO2氣凝膠仍然很小，無法應(yīng)用于窗戶。因此，顆粒狀是該類型的最佳選擇。Garnier等[11]在氬氣涂層雙層玻璃中加入SiO2氣凝膠顆粒，傳熱系數(shù)可低至0.3 W/(m2·K)，并可有效降低太陽(yáng)能輻射的熱傳輸。Lolli等[12]用SiO2氣凝膠顆粒替換三層氬氣中空玻璃中的氬氣，與原玻璃相比最高可節(jié)省20%的供暖能源。Belloni等[13]在雙層玻璃的間隙中混合了SiO2氣凝膠顆粒和中空二氧化硅粉末，通過驗(yàn)證模型對(duì)東京一棟參考建筑進(jìn)行了能源分析，發(fā)現(xiàn)氣凝膠玻璃在所有不同的朝向條件下的加熱能量需求方面都優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的低輻射玻璃。

當(dāng)前研究熱點(diǎn)是將相變材料(PCM)和SiO2氣凝膠一起填充到玻璃中，以增強(qiáng)熱儲(chǔ)存或增加太陽(yáng)能增益。Büttner等[14]在玻璃面板之間結(jié)合了真空和SiO2氣凝膠，也就是形成氣凝膠柱，傳熱系數(shù)約0.5 W/(m2·K)，具有高透射率和高太陽(yáng)能增益。Zhang shu等[15]在三層普通6 mm浮法玻璃中模擬填充石蠟和SiO2氣凝膠。研究表明，在中國(guó)嚴(yán)寒冬季氣候下，含有12 mm厚度的SiO2氣凝膠和283 K熔化溫度石蠟的三層玻璃窗與傳統(tǒng)三層玻璃窗相比，節(jié)能率為56.67%。

2.2 SiO2氣凝膠水泥復(fù)合材料

在過去十年中，對(duì)SiO2氣凝膠的水泥復(fù)合材料的研究主要集中將SiO2氣凝膠慘入泡沫混凝土、保溫砂漿和作為可用作結(jié)構(gòu)和隔熱材料的輕質(zhì)復(fù)合材料。

2.2.1 SiO2氣凝膠泡沫混凝土

泡沫混凝土作為一種多孔輕質(zhì)混凝土，相比于普通混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱耐火、吸音降噪、低彈抗震，可用于建筑屋面、墻體、墻面、等地方的保溫隔熱。為制得高性能的泡沫混凝土，在制備過程中常摻入不同性能的摻合料。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)SiO2氣凝膠混凝土的研究集中在把SiO2氣凝膠作為填充材料來制備高性能氣凝膠泡沫混凝土上。Liu等[16]用溶膠-凝膠、真空浸漬和快速超臨界干燥工藝合成出一種填充度高達(dá)74vol%的SiO2氣凝膠泡沫混凝土，模擬應(yīng)用在冬季寒冷的芝加哥可節(jié)電98.3 MWh。Yoon等[17]在普通泡沫混凝土中分別嵌入三甲氧基硅烷合成與三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯混合物合成的SiO2氣凝膠。研究表明：與原相比，兩種不同類型的SiO2氣凝膠泡沫混凝土機(jī)械性能均未受顯著影響，熱導(dǎo)率分別降低了13%和18%。付平等[18]在SiO2氣凝膠泡沫混凝土制備過程中引入玻璃纖維。當(dāng)纖維含量為0.9%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.058 W/(m·K)，抗壓強(qiáng)度為0.32 MPa。李朋威等[19]將自制的納米多孔SiO2氣凝膠加入到具有微米級(jí)和毫米級(jí)孔徑的泡沫混凝土中，導(dǎo)熱系數(shù)最小可達(dá)0.049 W/(m·K)，并且滿足建筑標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)強(qiáng)度。Haiying Zhang等[20]使用密度為200 kg/m3和0.045 8 W/(m ·K)熱導(dǎo)率的超輕質(zhì)SiO2氣凝膠制備泡沫混凝土，并比較了動(dòng)態(tài)隔熱材料-RC模型與發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)和普通混凝土的性能。研究結(jié)果表明，SiO2氣凝膠泡沫混凝土的熱損失比普通混凝土低近3倍，在寒冷天氣下有著更好的保溫隔熱效果。

2.2.2 SiO2氣凝膠保溫砂漿

SiO2氣凝膠顆?；蚍垠w作為功能結(jié)構(gòu)材料的保溫骨料摻入到砂漿中，能有效降低砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，可應(yīng)用于建筑內(nèi)外墻。SiO2氣凝膠填充到膨脹珍珠巖熱導(dǎo)率會(huì)降低14.7%～31.8%[21]，因此一些研究使用填充SiO2氣凝膠的膨脹珍珠巖作為骨料提高砂漿的保溫隔熱性能。Wang等[22]發(fā)現(xiàn)SiO2氣凝膠填充的膨脹珍珠巖級(jí)配對(duì)砂漿的保溫隔熱性能起著重要作用。含有100%的氣凝膠填充非級(jí)配膨脹珍珠巖代替沙子樣品的導(dǎo)熱系數(shù)為0.263 W/(m·K)，而含有氣凝膠填充的級(jí)配膨脹珍珠巖樣品的導(dǎo)熱系數(shù)為0.098 W/(m·K)。賈冠華等[23]把膨脹珍珠巖浸漬到SiO2氣凝膠溶液中，后經(jīng)凝膠干燥處理，使氣凝膠均勻分布在膨脹珍珠巖的孔隙中，添加到砂漿后導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.044 2 W/(m·K)。Qiuhui Yang等[24]把酸/堿兩步催化的濕凝膠引入膨脹珍珠巖中，最小導(dǎo)熱系數(shù)為0.036 W/(m·K)，最小吸水率為9.2%，抗壓強(qiáng)度為0.214 MPa。也有研究人員把SiO2氣凝膠與軟木結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，如Pereira等[25]在比較不同材料制備的保溫砂漿保溫性能和力學(xué)性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然SiO2氣凝膠和粒狀軟木基砂漿的機(jī)械性能均低于其他用膨脹粘土和沙子制備的砂漿，但常溫和高溫下的隔熱性能卻都更好。Morgado André等[26]還報(bào)道了用再造粒膨脹軟木、SiO2氣凝膠和膨脹聚苯乙烯的抹灰可以有效降低抹灰的隔熱性能。Bostanci[27]是對(duì)廢橡膠制成的堿活化礦渣砂漿進(jìn)行了研究，在SiO2氣凝含量0.35wt%時(shí)，熱導(dǎo)率降低了21.83%。

2.2.3 SiO2氣凝膠輕質(zhì)水泥復(fù)合材料

許多研究人員因用途不夠明確，固用“輕質(zhì)水泥復(fù)合材料”來描述他們的產(chǎn)品。Pedroso等[28]在高效減水劑和樹脂改進(jìn)后的水泥基體中加入SiO2氣凝膠，獲得了一種具有高隔熱性能的輕質(zhì)水泥復(fù)合材料(nanoSIR)，導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.029 W/(m·K)。Lu等[29]研究了用硅烷偶聯(lián)劑K5-550改性后的輕質(zhì)SiO2氣凝膠/水泥復(fù)合材料的性能，發(fā)現(xiàn)66vol%改性氣凝膠樣品的導(dǎo)熱系數(shù)為0.067 W/(m·K)。Jang等[30]研究了具有碳納米管和SiO2氣凝膠的輕質(zhì)水泥復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)氣凝膠含量為0.25%～2%時(shí)，材料的熱導(dǎo)率均降低，而機(jī)械強(qiáng)度的變化可以忽略不計(jì)。

2.3 SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料

由于SiO2氣凝膠強(qiáng)度低、韌性差，因此在制備過程中往往會(huì)將其充漬纖維預(yù)制件中，經(jīng)過凝膠老化、干燥過程而得到SiO2氣凝膠復(fù)合材料——SiO2氣凝膠板和SiO2氣凝膠氈。

2.3.1 SiO2氣凝膠板

板材類型包括SiO2氣凝膠真空絕熱板和SiO2氣凝膠保溫板。SiO2氣凝膠真空絕熱板是把熱解的SiO2氣凝膠顆粒/玻璃纖維和金屬聚合物組合，通常用作頂層公寓的保溫隔熱材料。梁玉瑩等[31]通過一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱建立起SiO2氣凝膠復(fù)合真空絕熱板熱導(dǎo)率的理論模型，表明氣凝膠復(fù)合真空絕熱板的熱導(dǎo)率隨氣凝膠密度的增大而增大，且氣體壓力為1 Pa、纖維素含量為7.3%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.003 5 W/(m·K)(最低)。隨后梁玉瑩[32]又通過微觀結(jié)構(gòu)建立氣凝膠真空絕熱板隔熱性能和使用壽命的計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)氣凝膠真空絕熱板壽命可高可達(dá)50年。Liang等[33]制備的纖維氈/SiO2氣凝膠的VIP芯，當(dāng)氣體壓力為1 Pa和0.1 Pa時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.004 3 W/(m·K)和0.003 9 W/(m·K)。SiO2氣凝膠保溫板多用作墻體的保溫隔熱。J.Yang等[34]通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估氣凝膠保溫板、發(fā)泡聚苯乙烯、玻璃棉內(nèi)部空氣溫度達(dá)到最大值的關(guān)鍵時(shí)間，發(fā)現(xiàn)氣凝膠保溫板的時(shí)間最長(zhǎng)(超過10 h)。Ibrahim等[35]將SiO2氣凝膠新型超級(jí)絕熱板應(yīng)用到內(nèi)保溫多層墻體上顯示出良好的保溫隔熱性能，與不采用絕熱板的墻體相比熱導(dǎo)率降低80%以上。Qiuhui Yan等[36]采用浸漬—常壓干燥法分別制備了SiO2氣凝膠/巖棉復(fù)合板和SiO2氣凝膠/玻璃棉復(fù)合板，有效改善了巖棉和玻璃棉的短期吸水性、導(dǎo)熱性和耐壓性。當(dāng)氣凝膠添加量為8%，浸漬時(shí)間20 min時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.033 0 W/(m·K)和0.026 3 W/(m·K)。

2.3.2 SiO2氣凝膠氈

SiO2氣凝膠氈在建筑行業(yè)的應(yīng)用相對(duì)較新，一般應(yīng)用在空間和重量受限的項(xiàng)目。Nocentini等[37]通過微波加熱表征了聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和玻璃纖維兩種不同纖維網(wǎng)絡(luò)的SiO2氣凝膠氈，發(fā)現(xiàn)在相對(duì)濕度較高的環(huán)境中，兩種氣凝膠氈的導(dǎo)熱系數(shù)均低于0.021 W/(m·K)。Hoseini等[38]對(duì)4種商業(yè)氣凝膠氈進(jìn)行20次壓縮減壓加載，氈子的熱導(dǎo)率變化均低于5%。Huang等[39]以潮濕的亞熱帶氣候下的典型辦公樓為模型，分析了一種新型超級(jí)隔熱SiO2氣凝膠氈以及EPS、XPS、PU和GF的最佳保溫厚度。研究表明，與混凝土墻中的 PU(38 mm)、XPS(44 mm)、GF(45 mm)或 EPS(70 mm)相比，氣凝膠的最薄(3.7 mm)。

2.4 SiO2氣凝膠涂料

SiO2氣凝膠涂料是將氣凝膠粉體分散在專用高性能樹脂乳液中，或與無機(jī)粘結(jié)劑體系中復(fù)合制備而成，直接用到建筑內(nèi)外墻具有保溫隔熱、隔音降噪、抗震、防火等功能。劉成樓等[40]用交聯(lián)丙烯酸乳液為成膜物制備的SiO2氣凝膠隔熱保溫涂料導(dǎo)熱系數(shù)低至0.027 W/(m·K)，涂在鋼板試驗(yàn)箱上，觀察到1 mm厚度的涂層比8 cm厚的聚苯泡沫板隔熱效率都高。Noppakun Sanpo等[41]通過將SiO2氣凝膠與丙烯酸粘合劑混合制成一種簡(jiǎn)單的保溫隔熱涂料。在密閉室中，涂料涂層的溫差測(cè)量可使表面溫度平均降低25%，但是在通風(fēng)的環(huán)境下保溫效果會(huì)大打折扣。Yanru等[42]把焚燒爐底灰制備的SiO2氣凝膠水性涂料涂在水泥板基材上與在60 ℃的加熱板上，與沒有氣凝膠涂料的情況相比，它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)12 ℃的表面溫度改進(jìn)，并且在外部溫度為44.6 ℃的情況下，室內(nèi)溫度降低了1 ℃。

2.5 其他材料

由于SiO2氣凝膠的多功能性，將它結(jié)合到不同的基質(zhì)中開發(fā)新的復(fù)合材料。Masera等[43]設(shè)計(jì)了一種基于SiO2氣凝膠用于室內(nèi)能源改造的紡織墻紙，在室內(nèi)熱力改造方面取得了可喜的成果。Jia等[44]制備了一種超低導(dǎo)熱系數(shù)[0.026 W/(m·K)]的全生物降解超輕乳酸/SiO2氣凝膠納米復(fù)合材料。Abd Halim等[45]以SiO2氣凝膠為填料制備了熱性能改善的單組分室溫硫化硅橡膠復(fù)合材料，在建筑保溫和防火方面具有潛在的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語(yǔ)

SiO2氣凝膠保溫隔熱材料的使用對(duì)建筑節(jié)能產(chǎn)生積極影響，可以顯著減少溫室氣體CO2的排放(高達(dá)約65%)，契合我國(guó)碳中和節(jié)能減排大趨勢(shì)。從現(xiàn)階段的發(fā)展來看，針對(duì)SiO2氣凝膠保溫隔熱材料還需要展開更系統(tǒng)的工程應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，如復(fù)合材料的長(zhǎng)期行為、膠凝材料與氣凝膠的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、計(jì)算最佳保溫厚度等。SiO2氣凝膠保溫隔熱材料未來必將廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域。