气凝胶在建筑节能领域的应用形式与效果

摘要：气凝胶作为一种纳米多孔结构的固体新材料，具有超轻、绝热、透明、防火等优异特性。气凝胶在建筑节能领域具有巨大的应用价值，能够显著提高保温效果、节约能源。本文综述了颗粒、毡、板和玻璃等气凝胶在建筑上的多种应用形式，讨论了其在节能门窗、管道保温、墙体保温、保温涂料、混凝土添加剂等方面的使用方法及应用效果，展望了气凝胶在建筑领域的发展方向。

关键词：气凝胶；绝热材料；建筑节能；阻燃

1 引言

在中国城镇化飞速发展的今天，我国能源需求结构发生了重大变化，建筑用能占全国新增能源消费总量从2005年不到35%上升到2012年的57%～75%，因此建筑节能是中国在未来20年实行“节能优先、结构优化、环境友好”的可持续发展能源战略的重要领域。通过使用高效的节能系统能够有效的减少建筑能耗。据估算使用先进的节能材料和合理的节能措施能够节省高达80%的建筑能耗，其中采用保温绝热材料是实现建筑能耗降低的主要措施之一，但传统建筑保温材料已越来越难以满足建筑节能的需求。1931 年首次制备出的气凝胶材料，是一种纳米多孔结构的固体新材料，具有超轻、高绝热等优点，近年来随着研究的深入和应用的拓展，气凝胶的在建筑领域的应用将使得节能效果实现数量级上的提高，因此日益展现出巨大优势和前景。

2 气凝胶简介

气凝胶，又被称为“固态烟”或“冻烟”，是目前已知最轻固体材料。气凝胶具有三维网状的微观结构，这种特殊的结构使其具有低密度、低导热系数、高比表面积、高声阻抗等特有的性能，从而使其在隔热、隔音、储氢、催化等领域有很好的应用前景。

气凝胶的制备一般包括三个阶段：一是湿凝胶的制备。用溶胶-凝胶法来制备湿凝胶，在反应过程中分散在液体中的纳米颗粒凝聚在一起进而在整个溶液中形成一个连续的三维网状结构。二是湿凝胶的老化。溶胶达到凝胶点时，硅聚合物充满了整个盛溶胶的容器。然而，凝胶中的硅骨架上还有很多尚未反应的活性基团。水解反应和缩合反应可能会继续，并且有足够的时间时会加强二氧化硅的网状结构。三是湿凝胶的干燥。干燥是气凝胶生产过程中最后也是最关键的一步，毛细管力是整个干燥过程中的关键因素。最常用的干燥方法有常压干燥(APD)和超临界干燥(SCD)两种，常压干燥方法工艺简便，但湿凝胶干燥过程中骨架孔隙中的液体毛细张力会引起干燥过程中凝胶的收缩甚至开裂。超临界干燥方法是让骨架孔隙中的液体在高于其临界温度Tcr和临界压力Pcr条件下排出，在干燥过程中使溶剂毛细管张力消失，能够制备超低密度的气凝胶，但工艺、设备复杂、成本较高。

3 气凝胶材料在建筑中的实际应用形式

气凝胶有诸多的优点，在建筑节能领域的应用中主要是利用其低密度、良好的隔热性和阻燃性等性能，气凝胶与几种常用保温材料性能对比如表1所示。

表1 气凝胶与几种常用保温材料性能对比

保温材料	导热系数	温度范围	燃烧等级
气凝胶	0.0136~0.038	-200～1400	A
聚异氰酸酯（PIR）	0.019~0.022	-185～140	B1
硬质酚醛	0.019~0.024	10～120	B1
聚氨酯（PU）	0.020~0.030	0～100	B2
发泡聚苯乙烯（EPS）	0.026~0.033	室温～90	B2
玻璃纤维	0.0345~0.040	室温～250	A
岩棉	0.040	0～600	A
陶粒保温砂浆	≤0.100	≤800	A

气凝胶在建筑上的应用形式主要有四种：气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板和气凝胶玻璃。

3.1 气凝胶颗粒

气凝胶颗粒一般为二氧化硅气凝胶，分为疏水性和亲水性。气凝胶颗粒制备常用方法有一次成型法和二次成型法，李兴旺等采用一次成型法以甲酰胺作为反应催化剂，水玻璃作为凝胶先驱体，利用溶胶-凝胶法在常压下制备出了性能优良的二氧化硅气凝胶微粒。二次成型是制备出块状二氧化硅气凝胶后，按粒径要求采用不同的破碎方法制备不同粒径的二氧化硅气凝胶颗粒。乌尔里克鲍尔等将疏水气凝胶颗粒通过均化器进行研磨，并在研磨过程中进行表面处理以防止凝聚或聚集，可制备出粒径小于1微米的气凝胶颗粒。

常压下合成气凝胶粉粒比较容易，具有实现大规模商业生产的可行性国内外很多厂家已经生产出性能优良的商用气凝胶颗粒。例如美国卡博特公司采用新的工艺省去了成本高昂的传统超临界干燥过程，可在室温条件下连续生产完全疏水的二氧化硅气凝胶，产品粒度分布广(5～4mm)热导率低(0.009～0.012W/m·K) 密度低(30～100kg/m3)。国内的广州埃力生公司也有类似的商用气凝胶颗粒在售，其性能和国外产品相近，粒度在0.5～5mm，密度在40～200kg/m3，比表面积可达600m2/g。

3.2 气凝胶毡

气凝胶毡是通过将气凝胶与纤维增强材料进行复合，解决了气凝胶机械强度低，易碎易裂、高温隔热性能不佳等问题，能够使其在建筑领域有更大的实用价值。

气凝胶毡的增强材料有两类：一类是韧性较好的有机纤维如芳纶纤维、聚氨酯纤维等；另一类是耐高温的无机材料如玻璃纤维、陶瓷纤维、硅钙石等。将制得具有流动性的溶胶与纤维增强材料复合，再经过凝胶干燥等过程就得到了气凝胶毡。这种方法即可制得刚性的复合气凝胶板材也可制备具有柔性的气凝胶毡。Chand等以水玻璃为硅源氧化铝溶胶改性的玻璃棉为增强体常温干燥制备出气凝胶毡，密度在0.1～0.14g/cm3，具有良好的力学性能和疏水性。韩国的Kyung等采用两种类似的方法将二氧化硅气凝胶与PET纤维棉复合，常压下制备出有机纤维增强的气凝胶毡具有良好的隔热性和吸声性。美国阿斯彭气凝胶公司将气凝胶和超细玻璃纤维复合后得到的P型气凝胶毡(图1a)是一种柔软有弹性的高温隔热保温毡，具有较低的热导率(室温0.02W/m·K)。该公司将气凝胶毡外表面复合铝箔防水层后制备出C型气凝胶毡(图1b)，同样具有柔性、弹性、更低的导热系数( 0℃为0.014W/m·K)，并且C型气凝胶毡可在低至-270℃的环境下使用，阿斯彭两种气凝胶毡如图1所示。

 

图1 阿斯彭气凝胶毡．

( a) P型气凝胶毡；( b) C型气凝胶毡

3.3 气凝胶板

气凝胶复合板是将纯气凝胶和纤维、颗粒、砂浆、金属、有机聚合物等复合制成刚性的板材。由于可以和气凝胶复合的材料较多，复合形式也比较多样，所以其产品较为丰富，不仅可做成保温隔热板，还可用设计的模具制备所需的各种结构件。

将制备气凝胶毡的方法改进即可制得刚性气凝胶-纤维复合材料，与制备气凝胶毡不同的是在制备刚性板时加入纤维的量较小，并且根据需要加入一些其它添加剂。其制备的板材中纤维和气凝胶都是连续相，即保证了其强度，又使其隔热性相对气凝胶毡有一定提升。另一种复合纤维方法是先制得具有不同粒径的颗粒状纯气凝胶颗粒，再将这些颗粒与有机或无机增强体、粘结剂等混合均匀，二次成型(浇注或模压)得到复合气凝胶，如明克(Min-K)材料。Kim等将制备的SiO2气凝胶颗粒粉碎后和PVB颗粒按一定比例通过不同的方式(干混或湿混)混合均匀。最后将混合粉末放入模具中在150℃和0.28 MPa下热压成型得到SiO2气凝胶-PVB复合板。程颐等将制得的疏水颗粒和亲水颗粒按照一定比例分别与水泥砂浆混合均匀，向混合物中加入一定量的水充分搅拌后倒入模具，干燥后即可得到SiO2气凝胶-水泥墙板。

目前商用气凝胶板一般是将SiO2气凝胶与无机纤维毡复合制得的，比如广州埃力生气凝胶公司采用纳米技术将制备的GY06系列气凝胶板，具有低的密度(320kg/m3) 、低导热系数(0.019W/m·K在25℃时)并且呈现出整体憎水性。绍兴纳诺高科公司通过进一步改进，结合真空技术制备的VIP真空绝热板具有更低的密度(200～250kg/m3)、更低的导热系数(≤0.004W/m·K在25℃时)，能在低温环境下使用(-200～100℃) 可取代聚氨酯泡沫、酚醛树脂泡沫等传统保冷材料。

3.4 气凝胶玻璃

气凝胶有较好的透光率和隔热性能，在节能窗上有很好的应用前景。但是气凝胶的极限拉伸强度很小，要避免直接的机械撞击。目前气凝胶很难单独作为玻璃应用，要和普通玻璃板结合应用，主要有气凝胶镀膜玻璃板和真空夹层气凝胶玻璃两种。

气凝胶镀膜玻璃就是在普通玻璃板上增加一层气凝胶薄膜来提高其隔热性能，Kim等首先通过将TEOS溶解到IPA中用酸碱两步催化法来制备TEOS/IPA 基溶胶；然后通过浸泡涂膜法在玻璃表面形成一层湿凝胶薄膜；最后溶液替换和常压干燥制得气凝胶涂膜玻璃。气凝胶涂层厚度在0.16～10μm，折射率为1.08～1.09，气凝胶涂膜玻璃的透光率超过90%，导热系数达0.016 W/m·K。

真空夹层气凝胶玻璃是利用上下两层玻璃板对其夹层的气凝胶进行保护，并通过抽真空密封的方式进一步提高整个复合玻璃的隔热性能，也可使夹层气凝胶避免接触空气中的水分。Schultz等研究了真空夹层气凝胶玻璃的影响因素，其主要制备过程有以下几步：首先用超临界干燥法制备出块状的气凝胶平板。然后将气凝胶平板夹在两片玻璃板之间并对边缘进行密封，最后对两片玻璃之间空间抽真空。该方法制出的中间夹层15mm的55×55 cm的样品中心传热系数为0.7W/m2·K，透光率为76%。

虽然上述两种气凝胶玻璃视觉效果较好，但是涂膜玻璃节能性能提升有限，真空夹层气凝胶玻璃所用气凝胶板难以制备价格昂贵。实际应用时，一般将半透明纳米二氧化硅气凝胶颗粒作为夹层填充物，虽然视觉效果差、折射率大，但可应用在大型剧院、展览中心、会议中心等无需良好视觉效果的位置或可以应用于太阳能集热器。Ｒeim等研究了透明二氧化硅气凝胶颗粒填充厚度填充方式对气凝胶玻璃的透光率和导热系数的影响，其制备的气凝胶夹层玻璃传热系数为0.4W/m2·K透光率可达88%。绍兴纳诺高科公司以半透明纳米二氧化硅气凝胶颗粒、薄膜或板材为主体夹层材料，与优质玻璃钢材料复合制成的绝热采光板透光率大于70%，同时保证低至0.020W/m·K的导热系数，如图2所示。

 

 

图2 纳诺高科绝热采光板

4 国内外气凝胶在建筑节能领域的应用方法及效果

4.1 气凝胶在节能门窗的应用

就目前典型的建筑围护结构而言，通过门窗损失的热量约占建筑总的热量损失的40%～50%，并且随着人们居住环境的提高，门窗面积还要不断增加，节能玻璃的应用对整个建筑节能将起到重要的作用。气凝胶节能玻璃相对传真空玻璃、夹层玻璃等统节能玻璃有着诸多优点。

Schultz等通过仿真模拟，将其制备的真空气凝胶玻璃替换三层充氩气中空玻璃安装于建筑门窗上。其模拟实例为处在丹麦气候的居民住宅。其中两栋符合丹麦保温建筑标准，另两栋复合丹麦节能建筑标准(房屋取暖耗能＜15 kW·h /m2/a) 。通过计算房屋的年取暖耗能量来比较两种玻璃的节能性能。结果如表2所示。

表2 应用不同节能玻璃房屋供热需求量

建筑保温标准	房屋供热需求量/kW·h/a
	中空玻璃	气凝胶玻璃
保温建筑标准	6220	5040
节能建筑标准	2070	1380

从表2中可以看出普通居民住房相对中空玻璃气凝胶玻璃年节能量为1180kW·h/a，约19%，而在节能住宅中这一数字是700kW·h/a，占到了总耗能的34%。真空气凝胶玻璃不仅更节能也有不错的视觉效果，图3为气凝胶玻璃在美国耶鲁大学建筑的玻璃幕墙中的应用。

 

图3 气凝胶玻璃在美国耶鲁大学建筑的玻璃幕墙中的应用

4.2 气凝胶在建筑管道中的使用

气凝胶毡具有超高隔热性和疏水性等优点，是一种理想的管道保温材料。图4展示一种气凝胶毡管道保温层的结构，紧贴管道第一层的为卷绕管道的气凝胶保温毡，为保温结构的主要保温层，外层为金属保护层和绑带，提供了机械和户外风吹日晒雨淋的防护，如果卷绕多层气凝胶毡可采用错位搭接方式提高保温性能。

 

图4 气凝胶毡管道保温层的结构

气凝胶毡有较好的柔性与抗拉、抗压强度，施工方便快捷，另外气凝胶毡的整体疏水性使其在整个使用周期导热系数几乎没有变化。与传统保温材料相比气凝胶保温结构保温性能明显好于其他材料。根据美国阿斯彭公司的估算，平均每公里的高温蒸汽管道在8a的使用中仅能耗一项就可以带来250万美元的节省，而在建筑供热管道保温材料改造中，理想情况下一年左右即可以节省下改造投入的成本。

4.3 气凝胶板在墙壁和屋顶中的使用

传统的墙壁和屋顶保温材料分为无机材料和有机材料，占据保温材料市场80% 的有机保温材料聚苯泡沫板防火阻燃性不佳，无机保温材料如岩棉、玻璃棉等大多密度大且保温效果欠佳。气凝胶板具有低热导率、低密度、高阻燃性是墙壁和屋顶的理想保温材料。图5展示了目前常见的气凝胶板保温层，其中包括墙壁保温层(图5a) 和屋顶保温(图5b) 。

 

图5 气凝胶板保温层(a)墙壁保温层；(b)屋顶保温层

该结构的主要保温层是气凝胶板，其导热系数在常温下可到达0.013 W/m·K，几乎只有挤塑聚苯板的三分之一，更是远低于其它建筑保温材料，具有高效的保温隔热性能。气凝胶板还可以起到吸声降噪的功能，该结构还可以有效的阻绝噪声。此结构使用的气凝胶毡和板燃烧性能为A1级，为完全不燃性材料，解决了建筑保温与建筑防火无法共存的巨大矛盾。气凝胶毡或板密度低于200kg/m3，施工时方便的同时也减轻了整栋建筑的重量。

4.4 气凝胶在涂料中的应用

气凝胶粉体可以应用在涂料中，做成具有保温效果的保温涂料，起到补充保温作用。刘红霞等分别以空心微珠、自制的SiO2气凝胶为隔热填料，添加到丙烯酸酯白色外墙涂料中制成隔热涂料，通过自制的测量装置测得SiO2气凝隔热涂料隔热性能明显优于空心微珠隔热涂料。卢斌等用稳定剂爱利索TMＲM-825对SiO2气凝胶进行改性并制备成浆料，以水性丙烯酸树脂为成膜物，在助剂的配合下制得水性纳米透明隔热涂料，结果表明玻璃涂覆膜厚为20～25μm时，涂膜有良好的机械性能，可见光透过率大于89%，透明性好，同时有较好的隔热效果。气凝胶涂料不仅可以应用在外墙体的保温中，还可以应用在建筑内墙保温和建筑顶部保温和建筑底部保温。2010年上海世博会零碳馆及万科实验楼应用了该种涂料，表明这种涂料具有突出的节能效果。

4.5 作为混凝土添加剂

气凝胶还可以用于降低混凝土的导热系数。Kim等开展了混凝土基料中掺入不同量的疏水或亲水SiO2气凝胶粉末的研究，混凝土块的热导率随着SiO2气凝胶粉末含量的增加而减少，但抗压强度会有所降低，收缩率也会有所增大。据此特点可将添加SiO2气凝胶的混凝土用于非承重墙，或是作为粘结试剂使用的水泥砂浆。随着混凝土助剂的发展，可以加入助剂来补充损失的力学性能。

5 展望

气凝胶材料以其独特的结构所表现的优异的保温隔热和防火性能使其具有在建筑节能中应用的可能性。目前气凝胶在实际应用中，主要有气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板、气凝胶玻璃和气凝胶采光板等几种形式，在建筑围护结构、管道保温层、涂料、混凝土等应用领域具有诸多优势，尤其是节能效果显著。

要实现气凝胶在建筑领域大范围推广应用，将来的发展方向将主要集中在以下三个方面：

(1) 降低气凝胶材料制备成本，若要大面积推广应用必须具有一定的经济型，可通过选择廉价的原料或改善制备工艺来降低制备成本；

(2) 复合气凝胶建材的开发，将气凝胶材料和现有建材复合，如聚氨酯泡沫、石膏板等，弥补气凝胶本身缺点的同时降低气凝胶材料的使用量；

(3) 气凝胶应用方案优化，利用计算机模拟技术优化应用方案，量化节能效果，使气凝胶的节能效果直观化，对气凝胶应用的宣传至关重要，为气凝胶的市场化奠定基础。

随着国家能源战略和经济的转型必将在保温节能领域有更多的投入，传统保温材料会越来越多的被气凝胶所替代。因此，气凝胶材料在建筑保温领域具有广阔的前景。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---摘自《硅酸盐通报》第34卷第2期