SiO2氣凝膠在建筑材料領域的應用

 

    SiO2氣凝膠材料

 

    氣凝膠這種多孔輕質材料，早在70年前就已經被發現，1931年美國加州太平洋大學的Kistler S.采用了超臨界干燥的方法從水凝膠中去除水分，得到了第一份沒有收縮的氣凝膠材料，在這么多年的發展和演化過程中，氣凝材料的許多潛在的優良性能都已被開發出來了，現在我們所說的SiO2氣凝膠是一種由納米SiO2骨架組成的半透明材料，它的孔隙率高達99％，密度為0.05～0.2g/cm3，凝膠尺寸小于50nm ，孔直徑小于分子的平均自由程，熱導率常溫下為0.03～0.05W/m·K。所以，最佳的應用就是它的多孔性和超級保溫絕熱性能。

 

    國內外建筑用SiO2氣凝膠應用

 

    SiO2氣凝膠在建筑上的應用，在國內尚屬空白，現在的研究主要在開發高附加值的應用產品，如應用在航天、藥物載體等。而在國外，自2000年以后對于建筑用氣凝膠材料已經有了一定的研究和應用。現在主要研究的方向有氣凝膠節能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材和屋面太陽能集熱器。

 

    1.氣凝膠節能窗

 

    2000年，俄羅斯一家公司首先開發出新型氣凝膠玻璃，應用于建筑材料領域。這種玻璃，從外觀和透明度看，和普通玻璃相似，但是它耐熱性極高，阻燃，抗放射性輻射，還可以調色和吸音。

 

    在雙層玻璃中間填充透明保溫材料，是降低通過玻璃層傳熱的方法。硅氣凝膠材料有很小的孔結構，比可見光的波長小很多。在氣凝膠中，約占體積95％～99％的空氣存于比空氣平均自由路徑小的細孔中。由于氣凝膠具有足夠的抗壓強度，能平衡外界氣壓，抽真空的氣凝膠窗就可以作為透明的分隔條使用。又由于抽真空的氣凝膠對于多數紅外輻射是不透明的，通過氣凝膠窗的純輻射熱損失很少。當前，氣凝膠研究著重于開發透明度高、耐久性好、塊體大、造價低的保溫產品。

 

    Reim M等人在ISOTEG聯合項目中，曾經研究出用于屋面絕熱的新型建筑用氣凝膠玻璃，這種材料既滿足熱絕緣性能，也滿足光學性能的要求，并且這種材料已開始使用。

 

    2.氣凝膠新型板材

 

    采用氣凝膠生產新型絕熱板材是現在國內外研究的重點之一。波士頓Cabet公司是一家化學材料公司，近幾年它正在開發一種新型氣凝膠絕熱板-Nanogel夾芯板，它是一種防潮、防霉、防菌、抗紫外線的完全可循環材料，它不易燃燒且在其生產過程中對臭氧層無任何的破壞作用。其顆粒狀的形態可以被緊密壓縮為復合結構的夾芯板，新罕布什爾州的Kalwall建筑材料公司利用先進的生產技術成功地設計了一種 Nanogel材料為填充內核的復合結構夾心板——Nanogel夾心板。這種新型板材透光率為20％，而傳熱系數僅為0.05 W/(m2·K)。而目前絕熱性能最好的Kalwall夾芯板也只能透過10％的光線，而其傳熱系數為0.l W/(m2·K)。目前，Kalwall公司已經將運用這種新型板材的窗配套安裝完畢，且造價也與采用Kalwall夾心板的相差無幾。這也為該新型板材推向建筑市場提供了經濟可行性。

 

    2003年1月，在位于曼徹斯特的一所小型旅館的室內熱水池的屋頂上安裝了由Kalwall公司制作的新型屋頂天窗系統。該系統使用新型技術的Nanogel夾芯板取代沿用幾十年的Kalwall夾芯板，取得了良好的效果。新的天窗系統在加強透光性的同時，并沒有在其隔熱層內產生通風效應，同時也不會損失熱量，在大雪紛飛的冬季，熱水池的高溫也不能融化覆蓋在天窗上的雪花。

 

    3.屋面太陽能集熱器

 

    在國外，氣凝膠用于屋面的太陽能集熱器已經有很長時間了。在民用領域，太陽能熱水器及其他集熱裝置的高效保溫，成了能否進一步提高太陽能裝置的能源利用率和進一步提高其實用性的關鍵因素。隨著納米孔超級絕熱材料生產技術的不斷成熟和生產成本的不斷降低，該材料首先應用在家庭及單位的太陽能熱水器。將納米孔超級絕熱材料應用于熱水器的儲水箱、管道和集熱器，將比現有太陽能熱水器的集熱效率提高一倍以上，而熱損失下降到現有水平的30％以下。

 

    Ortjohann在2001年研究出的新型氣凝膠真空集熱器，集熱器的正面填充顆粒狀的氣凝膠，背面采用不透明的無定形硅作為絕熱材料。這種顆粒填充氣凝膠最主要的特點就是制作工藝和顆粒搭配問題。在顆粒之間存在氣孔，得到的氣凝膠材料的導熱系數和塊體的氣凝膠有一定的差距，因此，要控制氣凝膠制作過程中的顆粒搭配，才能使得空隙最小。

 

    當前亟待解決的問題

 

    1. 超臨界需要的投資大，成本高，高壓設備操作危險。因此，到目前為止還沒有大規模的商業應用。

 

    2.采用常壓干燥和超臨界干燥時的縮裂問題。

 

    3.溶劑交換/表面改性，常壓干燥工藝用于大規模生產氣凝膠時，如何穩定地提高反應速度，加快改性液的滲透性。

 

    4.在建筑上應用，應考慮采用什么樣的應用形式。

 

    結論

 

    氣凝膠以極佳的絕熱性、隔聲性和較好的透光性使其為新的生態建材開發提供了基礎。雖然這種生態建材在建筑市場上還處于推廣階段，但是其發展前景非常樂觀。隨著我國建筑節能要求的不斷提高，并且學術界對氣凝膠的認識也在不斷深入，開發以氣凝膠為基礎原料的生態材料是我們今后的研究方向。