新型復(fù)合建筑材料SiO2氣凝膠在土木工程應(yīng)用探析*

張 莉，劉潔玲

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與測繪工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

近年來，全球整體能源消耗不斷增長的趨勢影響著建筑材料的發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球建筑耗能約占全球總能源消耗的30%，并排放了占比28%的CO2排放量[1,2]。建筑物外墻（比如：地板，屋頂和墻壁等材料）的熱性能是控制建筑能耗的主要因素，所以減少建筑能耗的常見策略是在墻壁和屋頂中加入隔熱材料[3,4]。這一舉措在現(xiàn)階段是通過減輕外部熱量損失從而達(dá)到節(jié)能減耗的最有效方法之一。保溫材料除了需要擁有極低的導(dǎo)熱率特性外，場地適應(yīng)性、機(jī)械強(qiáng)度、透明度、耐久性、回彈性、防火性、環(huán)境危害性以及經(jīng)濟(jì)性等其他材質(zhì)特性對(duì)于評(píng)估絕緣材料是否適用于建筑保溫材料也是至關(guān)重要的[5,6]。近年來，真空隔熱板、低輻射率的玻璃隔熱薄膜、多孔結(jié)構(gòu)的泡沫珍珠巖保溫材料和氣凝膠保溫材料等幾種新型的超絕熱材料由于其高保溫性能被廣泛應(yīng)用于建筑保溫材料中[7,8]。其中氣凝膠保溫材料用途最為廣泛，氣凝膠不僅在建筑物外墻材料、保溫材料中用作氣凝膠玻璃和氣凝膠絕熱氈，也可以用于建筑結(jié)構(gòu)材料中的支撐材料[9,10]。

盡管氣凝膠可能具有多種成分，但SiO2氣凝膠由于其具有熱超絕熱功能，易于生產(chǎn)和高成本效益等特性受到科研工作人員的青睞[11]。SiO2氣凝膠是1930年代由塞繆爾·斯蒂芬·基斯特勒首次生產(chǎn)的，SiO2氣凝膠由一條珍珠項(xiàng)鏈狀的SiO2連接鏈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。該結(jié)構(gòu)具有大量的空氣填充孔（孔隙率通常在90%以上），大部分在中孔范圍內(nèi)。這種大而細(xì)的孔隙率可確保其具有非常高的比表面積（500～1200m2·g-1）、低密度（0.0～0.3g·cm-3）、超絕熱性能（0.012～0.025W·（m·K）-1）、超低介電常數(shù)（k=1.0～2.0）和低折射率（～1.05）等特性[12]。由于其非凡的性能，特別是低導(dǎo)熱性和光學(xué)透明性，使SiO2氣凝膠在建筑物材料中應(yīng)用廣泛，尤其是用于節(jié)能減耗。

本文介紹了SiO2氣凝膠的制備及改進(jìn)方法，并調(diào)研了各科研工作人員于近年來所開發(fā)及應(yīng)用的含SiO2氣凝膠的建筑材料，總結(jié)了其用于在建筑領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢和現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)，以期為SiO2氣凝膠用作建筑材料的發(fā)展提供參考資料。

1 SiO2氣凝膠保溫材料的制備與結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

SiO2氣凝膠是一種以硅氧原子為骨架的納米材料，是全世界已知的最輕的固體材料。由于其獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得氣凝膠具有高比表面積、低表觀密度以及極低的導(dǎo)熱系數(shù)等獨(dú)特性質(zhì)，在熱學(xué)、光學(xué)及其他領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用。

1.1 SiO2氣凝膠的制備

傳統(tǒng)的制備SiO2氣凝膠的方法是以正硅酸乙酯為硅源，通過超臨界干燥技術(shù)對(duì)凝膠進(jìn)行干燥制備SiO2氣凝膠，但該制備方法相對(duì)復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求極高，并且正硅酸乙酯是一種有毒物質(zhì)，不利于實(shí)驗(yàn)操作。使用水玻璃作為硅源，常壓干燥法制備SiO2氣凝膠，由于其操作簡便，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，有利于氣凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)，成為當(dāng)前氣凝膠研究的熱點(diǎn)。SiO2氣凝膠的低成本常壓干燥制備技術(shù)制備流程見圖1[13]。

圖1 SiO2氣凝膠的低成本常壓干燥制備技術(shù)流程Fig.1 Preparation process of low-cost atmospheric drying technology for silica aerogel

1.2 SiO2氣凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

天然SiO2氣凝膠的主要缺點(diǎn)是其固有的脆性，這大大限制了它的實(shí)際應(yīng)用。因此，相關(guān)科研工作者對(duì)使用不同材料復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)天然SiO2氣凝膠的力學(xué)特性做出了許多研究。表1列出了現(xiàn)階段用于補(bǔ)強(qiáng)SiO2氣凝膠研究方向、主要材料及對(duì)應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 SiO2氣凝膠力學(xué)特性補(bǔ)強(qiáng)方向總結(jié)Tab.1 Summary of reinforcement direction of mechanical properties of silica aerogel

由表1可見，現(xiàn)階段用于補(bǔ)強(qiáng)SiO2氣凝膠研究方向主要包含納米材料復(fù)合法、表面衍生法、原位聚合法、共硅前驅(qū)體法和纖維復(fù)合等方法。其中納米材料復(fù)合法[14]即是將納米結(jié)構(gòu)結(jié)合到SiO2結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。如將碳納米管復(fù)合到SiO2氣凝膠材料中可以顯著改善其機(jī)械性能，而相較于普通的硅基氣凝膠，其密度和疏密度不受影響。表面衍生法[15]則是通過在SiO2氣凝膠材料的表面基團(tuán)添加六甲基二硅氧烷凝膠、甲苯二異氰酸酯等改性劑提高其力學(xué)穩(wěn)定性和透明單，該方法的顯著特點(diǎn)是不會(huì)改變內(nèi)部SiO2顆粒和結(jié)構(gòu)。原位聚合法[16]即是在SiO2氣凝膠材料中添加聚苯乙烯、聚丙烯酸丁酯等聚合物基團(tuán)，通過添加聚合物來提高SiO2氣凝膠的機(jī)械抗力，同時(shí)保持較低的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。共硅前驅(qū)體法[17]即是使用一種初始混合物中具有非可水解基團(tuán)的有機(jī)硅烷，例如MTMS中的甲基或TMSPM中的甲基丙烯酸丙酯，使得在合成的起始階段即可得到整體鍵能較低且疏水性良好的柔性氣凝膠。纖維復(fù)合法[18]也是一種常用于解決SiO2氣凝膠材料脆弱性的方法。如纖維-CO2氣凝膠復(fù)合材料可以在保持材料的低密度和高比表面積的條件下提高材料整體的機(jī)械性能，但這種材料在高溫條件下穩(wěn)定性較差。總而言之，各種復(fù)合方法均各有優(yōu)點(diǎn)，需根據(jù)不同的使用場景選擇材料結(jié)構(gòu)槍法方法。

2 SiO2氣凝膠建筑材料的應(yīng)用

SiO2氣凝膠由于其具有熱超絕熱功能，易于生產(chǎn)和高成本效益等特性而受到科研工作人員的青睞，在建筑材料的應(yīng)用也較為廣泛，如玻璃面板、隔熱氈、絕熱板、混凝土、隔熱涂層等保溫材料，本文針對(duì)這些材料的保溫特性及應(yīng)用情況作出總結(jié)。

2.1 隔熱氈

SiO2氣凝膠材料的隔熱氈在建筑材料中的應(yīng)用相對(duì)較為新穎，特別是針對(duì)存在空間和重量限制的特殊場景中或者管道保溫等有保溫隔熱需求的應(yīng)用場景。用SiO2制成的隔熱氈具有比天然氣凝膠更好的機(jī)械性能，同時(shí)不影響其優(yōu)異的絕緣性能。對(duì)比傳統(tǒng)保溫材料，SiO2氣凝膠絕熱氈導(dǎo)熱系數(shù)僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/3～1/5，其保溫隔熱能力是傳統(tǒng)材料的2～8倍[19]。

Liang等[20]的研究工作中通過調(diào)整氣凝膠密度和纖維含量以優(yōu)化SiO2氣凝膠復(fù)合纖維氈導(dǎo)熱性。在保持工作壓力為1.0Pa的條件下，作者探究了50～200kg·m-3的不同氣凝膠密度對(duì)復(fù)合纖維氈導(dǎo)熱性的影響，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，有效熱導(dǎo)率隨密度增加而增加，此外實(shí)驗(yàn)過程中需要實(shí)時(shí)改變氣凝膠厚度（從3.6mm改變?yōu)?.9mm）才可以保持U值不變?yōu)?.6W·（m·K）-1。此外當(dāng)纖維含量為6.6%時(shí)可獲得最佳導(dǎo)熱系數(shù)即4.3W·（m·K）-1的導(dǎo)熱率和5.6mm的厚度。通過控制氣凝膠密度和纖維含量（密度低于90kg·m-3且纖維含量在6%～16%之間），以實(shí)現(xiàn)復(fù)合纖維氈使用壽命的有效延長，實(shí)驗(yàn)預(yù)期的最大使用壽命為63a。

2.2 混凝土

氣凝膠混凝土由于其具有導(dǎo)熱系數(shù)低（0.07～0.16W·（m·K）-1）、自重輕、隔熱耐火等特點(diǎn)，在建筑材料中應(yīng)用廣泛。但由于外源材料的摻入，混凝土的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)有所減低，所以如何保證混凝土力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)提高其保溫性能成為科研工作人員現(xiàn)階段面臨的主要問題。

針對(duì)這個(gè)研究現(xiàn)狀，S.Fickler等[21]開發(fā)了復(fù)合高性能SiO2氣凝膠混凝土。通過調(diào)整SiO2氣凝膠的含量占比可以獲得不同強(qiáng)度不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料，如氣凝膠在水泥基體中體積占比達(dá)60%時(shí)，復(fù)合SiO2氣凝膠混凝土材料的密度為860kg·m-3，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到10MPa，且得到了最佳的導(dǎo)熱系數(shù)0.17W·（m·K）-1。Liu等[21]采用了溶膠-凝膠技術(shù)、真空浸漬法和超臨界快速干燥等3種技術(shù)制備了一種新型的用SiO2氣凝膠增強(qiáng)的復(fù)合泡沫混凝土（FCSA）。復(fù)合(FC-SA)的導(dǎo)熱系數(shù)比普通泡沫混凝土低48.4%，而保持良好的力學(xué)性能，其抗折、抗壓強(qiáng)度分別為0.62和1.12MPa。除了對(duì)于材料的性能進(jìn)行測試，作者還針對(duì)材料的保溫性能進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，如在芝加哥的冬季，使用FC-SA材料可節(jié)約6.64%的能源。

2.3 隔熱涂層

SiO2氣凝膠城納米多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于其孔隙率高、比表面積極大，密度極低、導(dǎo)熱系數(shù)較低等特點(diǎn)使之成為是目前可制備的隔熱涂層中性能最好的產(chǎn)品之一。盧斌等[23]對(duì)SiO2氣凝膠進(jìn)行改性，然后制備出透明隔熱涂料。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究該隔熱涂層在不同SiO2氣凝膠含量占比條件下對(duì)其透光率的影響，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，SiO2氣凝膠占比為20%時(shí)，該涂層的可見光透過率達(dá)90%，且涂層兩側(cè)的溫差達(dá)10°C以上，說明該涂層在保證良好的透光率的條件下，具有較好的保溫性能。汪慧[24]以改性SiO2氣凝膠和苯丙乳液的混合材料作為極低制備了隔熱涂料。當(dāng)其中SiO2氣凝膠含量為4%時(shí)，該涂層的隔熱溫差高達(dá)10°C，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，力學(xué)性能良好。此外丁逸棟等[25]制備了SiO2氣凝膠復(fù)合型隔熱涂層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SiO2氣凝膠為5%時(shí)，涂層的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.08W·（m·K）-1，太陽光反射率接近90%，說明其保溫性能優(yōu)異。

3 總結(jié)與展望

氣凝膠是近幾十年最有前途的保溫材料之一。隨著氣凝膠科研工作的進(jìn)展，如何將其與不同材料復(fù)合用于各種場景中以替換傳統(tǒng)材料，成為現(xiàn)階段的科研工作的重點(diǎn)。目前，將SiO2氣凝膠復(fù)合至原建筑材料中以提高其保溫特性已成為可能，但建筑材料中摻入SiO2氣凝膠也會(huì)影響其機(jī)械性能。而保溫性能和機(jī)械性能對(duì)于絕緣材料在建筑行業(yè)的應(yīng)用均是必不可少的，需要折中在這些性能之間，確定一個(gè)較好的氣凝膠的添加范圍，以確保能在得到良好的保溫性能的同時(shí)，也保持正常的力學(xué)性能至關(guān)重要。

最后，隨著材料節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)材料多功能性提出了更多需求，目前SiO2氣凝膠材料的多功能性仍存在不足，還需對(duì)SiO2氣凝膠材料開展更系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用研發(fā)，以滿足材料節(jié)能環(huán)保的需求。