納米多孔保溫材料的研究及應用

李建鳳，廖立敏

(內江師范學院 化學化工學院，四川 內江 641100)

隨著科技的發展，人口的增加，人們生活水平的提高，在世界范圍內能源變得越來越寶貴，某些地方已經出現了能源緊缺的狀況。為了解決能源緊缺問題，除了加大能源開發力度、努力尋求開發新型可再生能源外，節能成為科學家重要的研究課題。在能量的生產、輸送、使用、儲存等過程中，能量或多或少地被損失浪費掉。在節能和制冷領域，絕熱保溫材料是關鍵。20世紀80年代以來，納米技術得到迅速發展并成為一項重要的技術，在絕熱、保溫材料的生產中也得到了廣泛的應用。

1 絕熱、保溫機理

熱傳遞的方式有3種，傳導、對流和輻射。熱傳導通常通過固體介質，熱量由高溫部分向低溫部分傳導；熱對流通常通過氣體或液體介質完成；而熱輻射通常不需要任何介質，熱量由高溫物體傳向低溫物體。絕熱材料應該在上述三種熱傳遞方式中阻斷或減緩熱傳遞[1-3]，作為優良的絕熱材料除需要足夠的機械強度外，應該具有足夠小的體積密度以減小熱傳導而導致的熱損失；要盡可能減小氣體或液體對流，以減小熱對流而導致的損失；要有無窮多的反射面將接收到其他部位輻射過來的熱量進行反射，以減小熱輻射而導致的損失。納米多孔絕熱材料主要在此三方面表現良好，實現材料的絕熱和保溫性能。納米絕熱、保溫材料通常多孔、孔隙較小，在100nm以下，實現熱量無數次反射以減小熱輻射而導致的損失；氣孔尺寸在50nm以下，氣體失去自由運動的能力以減小熱對流而導致的損失；具有很低的體積密度，材料內部氣體體積較大，固體體積小以減小熱傳導而導致的熱損失。

2 絕熱、保溫材料與SiO2氣凝膠

SiO2氣凝膠是一種新型納米材料[4-5]，具有多孔、輕質、密度低、比表面積大和孔隙率高等優點，表現出良好的絕熱和保溫性能，受到研究者的重視，成為絕熱、保溫材料領域研究的熱點。但是SiO2氣凝膠質脆，機械強度不夠而不能作為超級絕熱材料直接用于工程實際，必須對其強度和韌性進行改進以滿足實際需要。例如采用硅酸鋁纖維作為SiO2氣凝膠增強組分，制備出了具有實際應用價值且絕熱、保溫性能優良的納米孔超級絕熱材料,并對其高溫絕熱性能的改善提出了方向。SiO2氣凝膠具有導熱系數低，吸附性能強等優點，是一種具有廣闊應用前景的新型絕熱、保溫材料。

3 SiO2氣凝膠絕熱、保溫材料的制備

3.1 SiO2醇凝膠

SiO2醇凝膠的制備過程包括制備和干燥兩個步驟，SiO2醇凝膠的制備方法很多，較常用的是溶膠-凝膠法。溶膠-凝膠技術是指線度為1～100nm的固體顆粒均勻地分散在適當的液體中，形成的單相溶液 在一定的溫度、濕度、酸堿度、壓力等的反應件下轉變為具有一定強度的多孔凝膠的過程。國內外目前普遍采用正硅酸乙脂作為原料制備SiO2氣凝膠，合成方法分為一步法、兩步法，都要先制備出SiO2醇凝膠。

3.2 SiO2氣凝膠

醇凝膠經干燥后制得氣凝膠，醇凝膠的干燥方法主要有以下幾種：超臨界干燥法、亞臨界干燥法、常壓干燥法、冷凍干燥法、減壓干燥法等，目前比較成熟和常用的技術為超臨界干燥技術制備SiO2氣凝膠，在超臨界狀態下，氣體和液體之間不再有界面存在，而是成為界于氣體和液體之間的一種均勻的超臨界流體。超臨界流體既具有液體般優良的溶解性能，又具有氣體般良好的流動性和傳質速率。通過此法制備的SiO2氣凝膠具有質輕、多孔、空間密度小、絕熱性能良好等特點。

3.3 SiO2氣凝膠的改性

雖然SiO2氣凝膠具有良好的絕熱、保溫性能，但由于其具有機械強度差、韌性差、易脆的缺點，限制了其直接作為絕熱、保溫材料應用于保溫工程。在其應用于絕熱、保溫工程之前，需要對其改性以增加SiO2氣凝膠的強度和韌性。使用超臨界干燥的方法，同時在凝膠制備過程中加入硅酸鹽纖維作為改性劑，可以增加材料的強度和韌性，最終制備出可以應用的有機-無機復合絕熱、保溫SiO2氣凝膠。Xiaochun Li等[6]在凝膠制備過程中加入無機或有機硬質玻璃，以形成具有一定強度的復合材料，但得到的絕熱保溫體積密度較大，絕熱、保溫性能大大降低。 楊海龍等[7]為解決SiO2氣凝膠質脆的難題，以正硅酸乙酯為硅源，采用溶膠-凝膠法和超臨界干燥工藝制備了硅酸鋁纖維增強納米孔超級絕熱材料，并對其性能進行測試，結果表明所得絕熱、保溫材料具有一定的強度且可用于保溫工程實際，顯示出廣闊的應用前景。

4 絕熱、保溫材料的應用

為減少能量的損失，提高能量的利用效率，在一些絕熱、保溫等領域需要用到保溫材料?；て髽I在設備外形上一般尺寸是較為復雜的，管道直徑也較大，保溫工作難度較大，能耗也較大。為降低能耗化工管道保溫層性能有待提高[8-9]，納米多孔保溫材料是不錯的選擇。大型冷庫、冷間能耗高，對隔熱、保溫要求高，通常需要絕熱、保溫性能良好的材料[10-11]，因而納米多孔保溫材料有望得到應用。在當前建筑工程施工過程中，利用新型保溫節能材料，可以節約建筑資源，降低工程效率，實現節能的目標[12]。

5 結論

本文對絕熱、保溫材料的保溫機理，納米多孔保溫材料制備、改性及應用進行了分析與綜述。目前研究和應用的熱點為SiO2氣凝膠絕熱、保溫材料，制備方法通常包括醇凝膠的制備及干燥。由于SiO2氣凝膠強度低、韌性差而限制了其直接作為絕熱保溫材料應用于絕熱、保溫工程，通常在凝膠制備過程中摻雜進行改性以制得強度較大、韌性較好、可以直接應用的SiO2氣凝膠絕熱、保溫材料。本文對于新型輕質納米多孔保溫材料的研發具有一定的參考價值。