SiO2氣凝膠在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用

 

    SiO2氣凝膠材料

 

    氣凝膠這種多孔輕質(zhì)材料，早在70年前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，1931年美國(guó)加州太平洋大學(xué)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(méi)有收縮的氣凝膠材料，在這么多年的發(fā)展和演化過(guò)程中，氣凝材料的許多潛在的優(yōu)良性能都已被開(kāi)發(fā)出來(lái)了，現(xiàn)在我們所說(shuō)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(dá)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(dǎo)率常溫下為0.03～0.05W/m·K。所以，最佳的應(yīng)用就是它的多孔性和超級(jí)保溫絕熱性能。

 

    國(guó)內(nèi)外建筑用SiO2氣凝膠應(yīng)用

 

    SiO2氣凝膠在建筑上的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)尚屬空白，現(xiàn)在的研究主要在開(kāi)發(fā)高附加值的應(yīng)用產(chǎn)品，如應(yīng)用在航天、藥物載體等。而在國(guó)外，自2000年以后對(duì)于建筑用氣凝膠材料已經(jīng)有了一定的研究和應(yīng)用。現(xiàn)在主要研究的方向有氣凝膠節(jié)能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材和屋面太陽(yáng)能集熱器。

 

    1.氣凝膠節(jié)能窗

 

    2000年，俄羅斯一家公司首先開(kāi)發(fā)出新型氣凝膠玻璃，應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域。這種玻璃，從外觀(guān)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(diào)色和吸音。

 

    在雙層玻璃中間填充透明保溫材料，是降低通過(guò)玻璃層傳熱的方法。硅氣凝膠材料有很小的孔結(jié)構(gòu)，比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)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(xì)孔中。由于氣凝膠具有足夠的抗壓強(qiáng)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(duì)于多數(shù)紅外輻射是不透明的，通過(guò)氣凝膠窗的純輻射熱損失很少。當(dāng)前，氣凝膠研究著重于開(kāi)發(fā)透明度高、耐久性好、塊體大、造價(jià)低的保溫產(chǎn)品。

 

    Reim M等人在ISOTEG聯(lián)合項(xiàng)目中，曾經(jīng)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(mǎn)足熱絕緣性能，也滿(mǎn)足光學(xué)性能的要求，并且這種材料已開(kāi)始使用。

 

    2.氣凝膠新型板材

 

    采用氣凝膠生產(chǎn)新型絕熱板材是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)之一。波士頓Cabet公司是一家化學(xué)材料公司，近幾年它正在開(kāi)發(fā)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(xiàn)的完全可循環(huán)材料，它不易燃燒且在其生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)臭氧層無(wú)任何的破壞作用。其顆粒狀的形態(tài)可以被緊密壓縮為復(fù)合結(jié)構(gòu)的夾芯板，新罕布什爾州的Kalwall建筑材料公司利用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)成功地設(shè)計(jì)了一種 Nanogel材料為填充內(nèi)核的復(fù)合結(jié)構(gòu)夾心板——Nanogel夾心板。這種新型板材透光率為20％，而傳熱系數(shù)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(guò)10％的光線(xiàn)，而其傳熱系數(shù)為0.l W/(m2·K)。目前，Kalwall公司已經(jīng)將運(yùn)用這種新型板材的窗配套安裝完畢，且造價(jià)也與采用Kalwall夾心板的相差無(wú)幾。這也為該新型板材推向建筑市場(chǎng)提供了經(jīng)濟(jì)可行性。

 

    2003年1月，在位于曼徹斯特的一所小型旅館的室內(nèi)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(tǒng)。該系統(tǒng)使用新型技術(shù)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(tǒng)在加強(qiáng)透光性的同時(shí)，并沒(méi)有在其隔熱層內(nèi)產(chǎn)生通風(fēng)效應(yīng)，同時(shí)也不會(huì)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(yáng)能集熱器

 

    在國(guó)外，氣凝膠用于屋面的太陽(yáng)能集熱器已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間了。在民用領(lǐng)域，太陽(yáng)能熱水器及其他集熱裝置的高效保溫，成了能否進(jìn)一步提高太陽(yáng)能裝置的能源利用率和進(jìn)一步提高其實(shí)用性的關(guān)鍵因素。隨著納米孔超級(jí)絕熱材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟和生產(chǎn)成本的不斷降低，該材料首先應(yīng)用在家庭及單位的太陽(yáng)能熱水器。將納米孔超級(jí)絕熱材料應(yīng)用于熱水器的儲(chǔ)水箱、管道和集熱器，將比現(xiàn)有太陽(yáng)能熱水器的集熱效率提高一倍以上，而熱損失下降到現(xiàn)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(wú)定形硅作為絕熱材料。這種顆粒填充氣凝膠最主要的特點(diǎn)就是制作工藝和顆粒搭配問(wèn)題。在顆粒之間存在氣孔，得到的氣凝膠材料的導(dǎo)熱系數(shù)和塊體的氣凝膠有一定的差距，因此，要控制氣凝膠制作過(guò)程中的顆粒搭配，才能使得空隙最小。

 

    當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題

 

    1. 超臨界需要的投資大，成本高，高壓設(shè)備操作危險(xiǎn)。因此，到目前為止還沒(méi)有大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

 

    2.采用常壓干燥和超臨界干燥時(shí)的縮裂問(wèn)題。

 

    3.溶劑交換/表面改性，常壓干燥工藝用于大規(guī)模生產(chǎn)氣凝膠時(shí)，如何穩(wěn)定地提高反應(yīng)速度，加快改性液的滲透性。

 

    4.在建筑上應(yīng)用，應(yīng)考慮采用什么樣的應(yīng)用形式。

 

    結(jié)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(tài)建材開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。雖然這種生態(tài)建材在建筑市場(chǎng)上還處于推廣階段，但是其發(fā)展前景非常樂(lè)觀(guān)。隨著我國(guó)建筑節(jié)能要求的不斷提高，并且學(xué)術(shù)界對(duì)氣凝膠的認(rèn)識(shí)也在不斷深入，開(kāi)發(fā)以氣凝膠為基礎(chǔ)原料的生態(tài)材料是我們今后的研究方向。