纖維素氣凝膠半透明復合板用于節能幕墻產品的市場化研究

王曉曉 ，劉向峰 ，柴洋波 ，柳仲寶 ，王 婷

（1.南京林業大學 風景園林學院，南京 210037；2.天津大學 建筑學院，天津 300072；3.上海市建筑科學研究院（集團）有限公司，上海 200032）

如當今我國社會經濟迅速發展，能源消耗，特別是建筑能耗不斷升高，2015年我國建筑能源消費總量已達8.57億噸標準煤，約占全國能源消費總量的20%左右[1]。為實現可持續發展，采用新材料、新技術、新的運維方法實現建筑節能降耗，成為可持續發展領域的工作重點之一。氣凝膠作為一種新型輕質納米多孔材料，具有高絕熱、高比表面積、對氣體選擇性透過等特點，從誕生以來就長期用于航空航天、船舶和工業領域。近年來，隨著氣凝膠材料科學研究的不斷深入和產業化發展，其成本逐漸降低，使氣凝膠材料在建筑領域的應用也逐漸增多，如用于太陽能集熱器蓋板或設備管道的保溫層等[2]。但將氣凝膠集成在半透明復合板材中應用于建筑幕墻，目前還是一種新穎的節能幕墻技術概念，其技術可行性、建筑適用性及市場化價值都值得進一步深入研究。

一、氣凝膠簡介

氣凝膠又稱干凝膠，是一種用氣體代替凝膠中的液體，而本質上不改變凝膠本身網絡結構和體積的固態凝膠，是水凝膠或有機凝膠干燥后的產物，是已知世界上密度最小的固體，有“固態煙霧”之稱。氣凝膠于1931年由Kistler教授首先利用超臨界流體干燥技術，以硅酸鈉為原料制備成最初的二氧化硅氣凝膠[3]。由于其制備過程煩瑣、價格高昂等缺點，這種材料長期沒有得到過多關注，直到溶膠—凝膠化學方法的發展和二氧化碳超臨界干燥技術的出現，才使氣凝膠制備進入實用化階段[4]。20世紀80年代，美國Lawrence Livermore國家實驗室的科學家們制備出以苯二酚/甲醛和三聚氰胺/甲醛縮聚物為代表的合成聚合物有機氣凝膠，開拓了氣凝膠研究的新領域[5]。Fung Fisher等2001—2006年對以纖維素衍生物為基礎制備纖維素氣凝膠進行了大量研究并取得了系列成果[6]，使得近年來纖維素氣凝膠的研究成為行業熱點之一。

氣凝膠材料中有大量納米尺度的微孔結構，使其具有80%～99.8%的超高孔隙率、0.003g/cm3～5g/cm3的極低表觀密度、0.013W/mK～0.025W/mK的極低導熱系數、100m2/g～1 600m2/g的高比表面積，在熱學、光學、聲學、過濾與催化、吸附、高速粒子捕獲和電子領域有著廣泛的用途[7]。氣凝膠的制備有溶膠—凝膠過程和超臨界干燥處理過程。在溶膠—凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應條件，可在溶體內形成不同結構的納米團簇；團簇之間相互粘連可形成固態骨架和剩余試劑組成的凝膠體。同時，氣凝膠制備過程中應充分考慮合理的干燥技術。為防止凝膠干燥過程中微孔洞內的表面張力導致材料結構破壞，一般采用超臨界干燥工藝，即把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內的液體發生相變，隨著氣液界面消失，表面張力也消失，成為超臨界態流體。將超臨界態流體從壓力容器中釋放后，即可得到具有納米量級連續網絡結構的氣凝膠。

根據成分不同，氣凝膠可分為無機氣凝膠、有機氣凝膠、無機有機復合氣凝膠。無機氣凝膠如二氧化硅氣凝膠，有機氣凝膠如各種合成聚合物氣凝膠和碳氣凝膠，無機有機復合氣凝膠如聚合物/二氧化硅復合氣凝膠、纖維素/二氧化硅復合氣凝膠等。一般無機氣凝膠比較脆，易碎，屬非可燃材料；而有機氣凝膠，特別是纖維素氣凝膠的韌性較好，但熱穩定性較差，有一定的使用溫度限制。

纖維素氣凝膠屬于無機氣凝膠和聚合物氣凝膠之后出現的新型氣凝膠材料，其本質是安全可降解的植物成分。原材料可取材于植物纖維，一種自然界最豐富的生物質原料，來源廣泛。纖維素氣凝膠在保持氣凝膠材料絕熱保溫等特性的同時，還擁有專屬于纖維素氣凝膠的特性：生物相容性和可降解性[6]，是一種極具發展潛力的生物類聚合物材料。纖維素氣凝膠根據制備方法和材料主要分三類：天然纖維素氣凝膠、再生纖維素氣凝膠和纖維素衍生物氣凝膠。盡管纖維素氣凝膠目前還沒有產業化，但近年來研究人員開發出很多低成本制造纖維素氣凝膠的技術，可用天然木材、回收木料或其他纖維材料為原料，制造出具有良好機械壓縮性、耐脆性和保溫性的纖維素氣凝膠。例如，美國馬里蘭大學帕克分校的科學家們開發的纖維素氣凝膠，垂直于纖維素排列方向的導熱系數為0.028W/mK，接近常用二氧化硅氣凝膠0.02W/mK的導熱系數[8]，表明纖維素氣凝膠和硅氣凝膠具有類似的傳熱性能，用于半透明幕墻復合板時可表現出相近的保溫能力。但從原材料豐富程度和制備方法經濟性上看，纖維素氣凝膠無疑更有優勢。

二、氣凝膠材料的產業化現狀

氣凝膠具有超低傳熱系數，使其成為傳統保溫絕熱材料，如巖棉、玻璃棉等纖維多孔材料，聚氨酯、聚苯等發泡材料的理想替代品，因此國內外氣凝膠產業化發展大多圍繞其絕熱應用展開，氣凝膠熱利用技術產業化發展比較成熟。特別是在航空航天、車輛船舶、精密儀器、石油化工、電力冶金領域，溫差大、絕熱要求高、安裝空間有限的環境中，大多情況下只有利用氣凝膠材料才能達到設計要求。因此，這些行業領域的發展，為氣凝膠產業發展帶來客觀需求，對單位價格高的氣凝膠材料接受度較高。

不同的是，在建筑工程和服裝鞋帽生產領域，因為單位產品的價值量相對較低，可替代材料又較多，因此對氣凝膠材料的單價比較敏感，導致長期以來在建筑工程和服裝鞋帽生產領域中大規模應用氣凝膠的案例相對較少。不過伴隨著我國經濟結構的轉型升級，特別是城鎮化加速，節能降耗政策趨嚴，實施多年的納米材料戰略的持續推進，以及氣凝膠產業化的深入，技術升級和成本降低，建筑領域正在成為氣凝膠產品應用的重要領域之一，這也會成為我國氣凝膠產業化發展新的增長點。得益于巨大的市場需求潛力，當前我國大學和各研究機構對氣凝膠技術的研發非常重視，我國企業也對低成本氣凝膠技術的產業化投入了很多資源，使得目前我國在氣凝膠材料研發和市場化方面均具有自己的部分核心技術和一定的國際影響力。為規范行業發展，提升產品質量，我國于2017年研究制定出了第一部氣凝膠產品國家標準《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》（GB/T34336-2017），并于2018年9月1日實施[9]。

（一）國外氣凝膠市場

Allied Market Research公司于2014年發布的報告顯示，全球氣凝膠的市場價值將由2013年的2.218億美元，增長到2020年的18.966億美元，預測期內的年復合增加率達36.4%[10]（見圖1）。但隨著中國氣凝膠產業成熟壯大，全球氣凝膠行業發展速度將加快。

費里多尼亞集團的《2011年全球隔熱材料報告》顯示，目前全球絕熱材料市場規模達321億美元，未來年增長率為6.3%，市場廣闊。而目前氣凝膠材料在整個絕熱材料市場中的規模微不足道，約有0.5億美元，這說明氣凝膠產業仍然處在早期的起步階段，隨著時間推移其未來發展前景巨大[10]。可見，當前國際市場上制約氣凝膠產業發展的主要因素還是其較為昂貴的價格，一旦氣凝膠制備成本降低，將大大促進其生產，市場規模會急劇擴大，產銷量會大幅提升，快速替代傳統絕熱材料。

（二）國內氣凝膠市場

相較于國外市場，國內氣凝膠市場起步較晚，前期主要依靠進口，銷售國外生產的氣凝膠，進口產品及外資企業產品長期占據國內市場，進口量有限以及價格高的問題一度是制約國內氣凝膠市場發展的重要因素。同時，由于市場推廣度不高，使用者更傾向于使用傳統保溫材料。

而隨著國內氣凝膠產業的不斷發展，行業企業不斷增多，實力不斷增強，氣凝膠的產量不斷提升，成本不斷下降。目前，氣凝膠行業是我國與世界同行技術發展基本同步且具有一定競爭力的產業領域。數據顯示，2016年，我國的氣凝膠產量約為1.83萬噸，年均增速在25%左右[11]（見圖2），保持著較高的增長率，氣凝膠市場的發展前景可觀。

圖2 國內氣凝膠市場規模

目前，國內氣凝膠材料需求主要集中于航天航空、軍事等軍用領域；民用領域的石油化工、軌道交通、電力工業、礦井及城鎮熱力管網已經形成了一定的市場規模；建筑節能、服裝鞋帽領域開始少量試用。隨著我國氣凝膠材料市場價格不斷下降，使用氣凝膠材料的成本費用幾乎接近傳統高質量保溫材料的價格區段；加上氣凝膠材料具有節能等優點，比之傳統材料更勝一籌，氣凝膠材料在建筑領域的應用也將逐步擴大。預計2020年我國國內氣凝膠市場總額將達到37.16億元，其中建筑節能領域將達到10.59億元，約占總量的28%[11]（見圖3）；建筑節能工程中的使用量預計為66 000m3～71 000m3（約可覆蓋660萬m2～710萬m2的建筑墻體、屋面或其他圍護結構）。2017—2018年國內氣凝膠行業主要企業及市場上代表氣凝膠產品類型、產量、主要性能參數及報價信息如表1所示。大部分廠家通過與國內研究機構合作，或自有研究機構的努力，都具有氣凝膠研發生產能力。產品以二氧化硅基氣凝膠為主，主要是各種纖維復合二氧化硅氣凝膠氈，目前國內市場上還未見產業化的纖維素氣凝膠產品。

圖3 2020年國內氣凝膠市場各領域應用份額預測

（三）氣凝膠適用性特點及在建筑幕墻中的應用

1.傳統氣凝膠與纖維素氣凝膠在建筑領域的適用性。這里的傳統氣凝膠主要指以二氧化硅為代表的無機氣凝膠、各種有機聚合物氣凝膠，以及無機有機復合的不具有可降解性和生物相容性的氣凝膠。二氧化硅基氣凝膠一般通過溶膠—凝膠法制備，工藝技術成熟；相對纖維素氣凝膠的優勢之一在于其是非可燃材料，很容易達到A級耐火，因此二氧化硅基氣凝膠應用于建筑領域受溫度限制比較小，目前產量與用量最大。不利之處在于其材料脆性，不如纖維素氣凝膠韌性好，易碎，因此用于建筑產品需要復合構造保護。

表1 國內主要氣凝膠廠家統計及國內市場上氣凝膠產品統計（2017—2018年）

纖維素氣凝膠與傳統氣凝膠相比其保溫性能接近，絕熱能力并沒有相對優勢。且纖維素氣凝膠溫度穩定性較差，耐火等級低，因此使用環境溫度受到一定限制。同時，材料強度比較低，也需要復合構造保護。相對于硅基氣凝膠，纖維素氣凝膠的優勢之一在于原料來源廣泛，雖然目前產業化技術不成熟導致其價格高昂，但是一旦產業化成熟，其產品單位價格應比硅基氣凝膠更低，潛在的經濟性更好。相對于航空航天船舶工業等領域，民用建筑單位面積造價低的多。目前制約氣凝膠材料在民用建筑領域大規模應用的瓶頸依然還是經濟性因素，纖維素氣凝膠可能提供一種更經濟的解決方案。

2.纖維素氣凝膠半透明復合板材在節能幕墻中的應用。氣凝膠材料單位面積造價較高，如果大量用于建筑，首先在幕墻保溫領域使用從性價比上看是合適的。建筑墻面屋面常用保溫材料，如聚苯板、聚氨酯發泡層、玻璃纖維保溫氈等材料，單位面積價格約為5元/m2～30元/m2，遠低于氣凝膠材料的單位面積價格100元/m2～450元/m2，因此氣凝膠用于建筑墻面屋面等不透明圍護結構代替聚苯板等保溫材料不經濟。而建筑幕墻用的保溫玻璃面板單位面積價格約為30元/m2～150元/m2，價格區間比較接近于氣凝膠材料的價格區間。考慮到纖維素氣凝膠產業化后可能帶來的價格降低，以及氣凝膠本身保溫性比現有幕墻保溫玻璃面板中空氣間層更好，從而帶來節能增益，把纖維素氣凝膠，甚至造價較低的硅氣凝膠用于高性能節能幕墻從性價比上看可能滿足。

同時，國外氣凝膠復合玻璃用于建筑節能窗的實驗研究案例表明，氣凝膠材料可有效提升建筑冬季節能性[12]，這與筆者的研究結論相似。通過熱箱對比模型實驗和計算機能耗模擬得到的結果表明，氣凝膠半透明復合板用于建筑幕墻中能提升建筑冬季節能性，但對建筑夏季節能性幾乎沒有太大貢獻，反而可能有負作用。比如，在以天津市為代表的寒冷地區采用半透明氣凝膠復合板的36m2實驗建筑，與同樣透過率采用單層貼遮陽膜普通玻璃的同樣實驗建筑相比，年總熱負荷密度可降低11.6Kwh/m2～21.5Kwh/m2，半透明氣凝膠復合板相對于該普通玻璃可帶來的建筑冬季熱負荷降低約為31%～25%。假設該節能建筑冬季采用地源熱泵或風冷熱泵節能采暖技術，經測算，半透明氣凝膠復合板相對于該普通玻璃可使36m2實驗建筑每年節約57～183元的采暖電費。

但是采用半透明氣凝膠復合板的36m2實驗建筑與采用單層貼遮陽膜普通玻璃的同樣實驗建筑相比，年總冷負荷密度幾乎一樣，差值范圍在-0.57Kwh/m2～0.02 Kwh/m2之間，變化率為-1.88%～0.53%。如果用空調制冷，則具有氣凝膠半透明復合板的36m2實驗建筑甚至比具有單層貼膜普通玻璃的同樣建筑每年還多浪費0～4元空調電費，可見氣凝膠半透明保溫板在建筑夏季節能方面并沒有作用。大量模擬研究數據表明，氣凝膠半透明復合板在節能建筑幕墻中應用時有一定的地域限制。一般條件下，氣凝膠半透明復合板在我國嚴寒氣候區、寒冷氣候區比較適用，是有潛力的節能技術；而在夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和氣候區其效能并不高，考慮到造價因素，氣凝膠半透明復合板在這些地區可能并非高效適用的節能技術。總體而言，冬季耗能為主的氣候區更適合采用氣凝膠復合保溫板的幕墻。

三、結論與展望

氣凝膠作為一種新型輕質納米多孔絕熱材料，長期用于航空、航天、船舶、汽車等工業領域。纖維素氣凝膠因其原材料來源廣泛、可生物降解以及生物相容性等特點，成為有潛力的納米新材料。目前，由于纖維素氣凝膠產業化條件還不夠成熟，傳統的硅氣凝膠材料依然是市場主流。隨著我國氣凝膠產業的發展，特別是近年來氣凝膠企業生產能力的提升，以及纖維素氣凝膠的逐漸產業化，市場上已經出現價格更低的新型氣凝膠保溫材料，并為在建筑領域大規模應用奠定了很好的基礎。

以纖維素氣凝膠為代表的低造價氣凝膠半透明復合板從性價比角度而言，不太適合不透明建筑屋面墻面，而更適合用于建筑幕墻，以提升幕墻節能性。其在節能建筑幕墻中應用時還有一定的地域限制。一般條件下，我國嚴寒氣候區、寒冷氣候區比較適用氣凝膠半透明復合板，以達到建筑節能的目的；而在夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和氣候區其帶來的節能效果并不明顯。考慮到造價和節能效能，冬季耗能為主的氣候區的幕墻更適合采用氣凝膠復合保溫板。