氣凝膠復合制品在建筑領域應用可行性分析

劉穎卓 周俊鈞 李玉良 隋承鑫

（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

0 引言

在建筑領域，保溫材料種類繁多，主要分為兩大類：無機棉類保溫材料和有機高分子類保溫材料。無機棉類保溫材料具有優異的防火及耐高溫性能，但吸水能力強且吸水后產品本身保溫效果變差；有機高分子保溫材料具有質輕、導熱系數低、吸水率低等特點，曾經在建筑保溫材料市場中占據主流地位，但隨著國家對產品防火性能要求的提高，很大程度上限制了其在國內建筑中的應用。氣凝膠復合制品因其優異的保溫性能、防火性能和高溫穩定性等，同時滿足了建筑領域對保溫材料的保溫及防火要求，已成為建筑保溫領域中備受關注的新型材料。

氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚集構成的具有納米多孔網絡結構，并在孔隙中充滿氣態分散介質的一種高分散固態材料，其固體相和孔隙結構均為納米尺度[1-2]。氣凝膠被譽為世界上密度最小的固體之一，密度為3.0kg/m3，僅為空氣密度的2.75倍，被稱為“凍結的煙”。正是由于其微觀結構呈現出“蜂窩狀”的多孔形貌，使其具有比表面積大、孔隙率高、密度低、熱導率低等特點。氣凝膠的合成過程一般要經過溶膠-凝膠聚合和超臨界干燥兩個過程[3-4]，其中溶膠-凝膠工藝的實現一般有三種方法，1）膠體粉末溶膠的凝膠化；2）醇鹽或硝酸鹽前驅體經水解和縮聚形成凝膠；3）在溶液中聚合物單體聚合或幾種聚合物單體共聚形成凝膠。

氣凝膠雖然質輕、孔隙率高、熱導率低，但由于強度低、脆性大等缺點限制了其在建筑外墻保溫領域的推廣[5]，因此，氣凝膠在建筑保溫隔熱領域的應用主要是將其與無機纖維等復合，不僅保留了氣凝膠本身的優異特性，還彌補了機械性能差等缺陷，使其制品在工程中得到廣泛應用。目前，氣凝膠復合制品在熱力工程應用較多，以SiO2氣凝膠復合制品為主。本文將主要探究氣凝膠復合制品在絕熱、防火和耐高溫等方面的優異表現，闡明其在建筑領域應用的可行性。

1 氣凝膠復合制品特性研究

氣凝膠復合制品保留了氣凝膠優異的保溫、防火和高溫穩定性等特性，在建筑領域可作為絕好的隔熱保溫、防火材料被廣泛應用。以下將從隔熱性能、防火性能和耐高溫穩定性能方面與常規保溫材料進行對比，表明氣凝膠復合制品在建筑保溫領域應用中具有巨大的優勢。

1.1 隔熱性能

在建筑領域中，保溫材料的導熱系數大小是衡量材料隔熱性能優劣的重要參數。在常規的保溫材料中，玻璃棉、巖棉、硅酸鋁棉等無機棉類材料常溫下導熱系數一般在0.036～0.050W/（m·K)范圍內，聚苯板、擠塑板、聚氨酯等有機保溫材料常溫導熱系數在0.021～0.041W/（m·K)范圍內，而氣凝膠復合制品在常溫下導熱系數通常會低于0.023W/（m·K)，甚至較好產品會低于0.017W/（m·K)，這是傳統保溫材料所不能達到的。其主要原理是材料本身特殊的納米三維孔隙結構：1）具有的高孔隙率、低導熱系數等特性，可以極大地抑制熱傳導；2）50-60納米的氣凝膠孔隙使得空氣分子無法自由流動，對流傳熱將會受到很大程度的抑制；3）1毫米厚的氣凝膠材料就含有上萬層的孔壁，而這些孔壁均可視為輻射的反射面和折射面，這種結構最大限度地抑制了熱量傳遞（熱傳導、熱對流和熱輻射），使得其導熱系數很低。

表1 不同氣凝膠復合制品的導熱系數

根據國標GB/T 34336-2017《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》，對6 組氣凝膠復合制品進行25℃條件下導熱系數的測定，測試結果如表1所示，導熱系數均低于0.023W/（m·K)。

研究表明，隨著溫度的升高，氣凝膠復合制品優異的隔熱性能更加突顯[6]。為更好地說明氣凝膠的隔熱性能，我們進行了不同材料導熱系數對比，包括硅酸鋁棉、巖棉、玻璃棉、酚醛、聚氨酯、擠塑板、模塑板，圖1中是氣凝膠制品與常規保溫材料在溫度范圍0-600℃之間選擇10個溫度點進行導熱系數測量，分別是0℃、25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、300℃、400℃、500℃和600℃（測試溫度不超過材料使用溫度上限）。

圖1 各種保溫材料導熱系數隨溫度變化曲線

通過圖1中可以看出，常溫時，氣凝膠復合制品導熱系數低于常規保溫材料，且隨著溫度的升高，其導熱系數的增長遠低于其他材料，即在越高溫度條件下，氣凝膠復合材料的保溫優勢越明顯。氣凝膠復合制品若應用于建筑外墻保溫、屋面保溫或者被動房中，能夠有效避免建筑空間內外熱量流失，而且還可以減少保溫層厚度和鋪設面積，降低了工程成本；直接解決了由于保溫層厚度大而造成的空鼓開裂、脫落等風險。

1.2 燃燒性能

隨著我國建筑節能強制措施逐步推行，建筑外墻保溫技術在建筑中被大量采用，但應用的重要條件是其防火安全性。在建筑保溫材料應用中，保溫材料的燃燒性能是備受關注的。在火災發生時，燃燒性能不佳的外保溫材料對火災的垂直方向蔓延有很強的促進作用，所以為了降低火災風險，必須對保溫材料的燃燒性能提出嚴格要求。氣凝膠復合制品不僅有良好的保溫性能，而且還具有優異的防火性能。由于氣凝膠復合制品是通過溶膠凝膠法，將增強材料與溶膠復合，然后用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成，用于復合的增強材料通常是無機纖維材質，再加上氣凝膠本身防火性能優異，因此氣凝膠復合制品防火性能表現優異。

表2 不同氣凝膠復合制品的燃燒性能

表2是對6組氣凝膠復合制品按照GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》進行燃燒性能測試的結果，2組氣凝膠復合制品燃燒性能達到B1級難燃制品，4組為A級不燃制品。

1.3 高溫穩定性

氣凝膠復合制品除具有良好的絕熱性能、防火性能外，還可在高溫環境下具有持久的穩定性，幾乎不發生體積收縮、熔融、燒結、降解等現象。氣凝膠復合制品在高溫下導熱系數表現優秀，且經高溫試驗處理后的樣品的常溫導熱系數與未經高溫處理的樣品導熱系數試驗結果相比變化較小。試驗結果表明，在低于600℃環境中，氣凝膠復合制品的線性收縮率極小，幾乎可以忽略，而且氣凝膠內部結構在高溫環境中不會發生變化，仍為非定型結構[7]，說明氣凝膠復合制品的耐高溫穩定性能相比于常規保溫材料是非常優異的。

1.4 其他特性

氣凝膠是一種質量超輕、密度極小的固體材料，即使與其他無機纖維材料復合成為氣凝膠復合材料后，在實際應用中，樣品厚度較小，所以總體質量依然輕于同等滿足節能要求的其他無機產品，可以避免由于過重而造成的脫落等危險。

另外，在氣凝膠復合制品制備過程中通常會加入適量的憎水劑進行改性，改性后氣凝膠復合制品的憎水性能是非常優異的，使用效果優于其他無機保溫材料。

2 結語

在世界能源日益匱乏的背景下，我國對社會節能減排越來越重視，尤其是在建筑領域，不管是常規的建筑保溫材料還是新型的保溫材料都要求達到節能減排的標準。氣凝膠復合制品雖然生產成本相對較高，但其在隔熱保溫、防火和耐高溫穩定性等方面均表現出優異的性能，能夠很好地適應國家的節能減排政策，能夠在未來在建筑領域發揮其重要作用。只要行業不斷創新和改進氣凝膠復合制品生產工藝，降低生產成本，氣凝膠復合絕熱制品最終會在未來建筑保溫領域中占有重要一席。