氧化硅氣凝膠絕熱材料及其建筑減碳應用

張廣鵬，吳會軍，2，劉彥辰，2，楊麗修，2

（1.廣州大學土木工程學院，建筑節能研究院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室）

建筑業作為全球經濟活動的重要引擎，成為能源消耗總量和CO2排放總量最大的行業，占全球能源消耗總量的36%和CO2排放總量的39%。為實現可持續發展目標，建筑業需扭轉能源和碳排放持續增長的趨勢，以每年3%的速度實現降低建筑物的碳排放量。在此背景下，新型高性能保溫隔熱材料及圍護結構的研發與應用，對中國建筑節能、降低建筑碳排放量有重要支撐作用。目前建筑中常用的有機絕熱材料如聚苯乙烯泡沫（EPS）、擠塑聚苯乙烯板（XPS）和玻璃棉（GF）等具有輕質、易成型、隔熱性能好等特點，但是存在消防安全隱患、疏水性差、耐久性差等問題［1-4］。常用的無機絕熱材料如玻璃纖維、礦物棉、膨脹珍珠巖等，雖然耐火性較好、安全性高，但是其吸濕性強、蒸汽滲透率高［5-8］，影響工程應用。

氧化硅氣凝膠作為一種納米孔多功能無機固體材料，具有超低導熱系數、耐火不燃、疏水、輕質等特點［9-11］，在航天航空、工業、交通等領域得到應用［12-15］。但是，氧化硅氣凝膠本身力學性能差，而且相對于普通保溫隔熱材料其價格較高，限制了其進一步發展，尤其是在建筑領域的應用［16-19］。因此，降低氣凝膠的制備成本、改善氣凝膠的力學性能，以推動其在建筑節能領域的應用，成為國內外研究的熱點。近年來，隨著氧化硅氣凝膠制備技術的發展及成本的降低，其開始在建筑節能減碳領域進行示范應用［20-22］。筆者綜述了氧化硅氣凝膠絕熱材料的制備技術研究進展，介紹了氧化硅氣凝膠在泡沫混凝土、膠氈和板材以及建筑玻璃等領域的應用研究進展。

1 氧化硅氣凝膠絕熱材料的制備與性能

氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚分子相互交聯構成的具有三維納米網絡結構的多孔材料，按其組分的不同常見的類型分為氧化硅氣凝膠、碳氣凝膠、黏土氣凝膠。氧化硅氣凝膠是較為常見、應用較廣的一種類型，其孔洞率達到80.0%～99.8%，密度低至0.003 g/cm3，室溫下導熱系數為0.015 W/（m·K）左右，小于無對流空氣，為普通絕熱材料的1/3～1/2，是目前導熱系數最小的固體超級絕熱材料。

1.1 氣凝膠材料的制備技術

早在1931年美國斯坦福大學的Kistler即以水玻璃（硅酸鈉）為硅源首次制成了氧化硅氣凝膠，至20世紀70年代法國的Stanislaus Teichner用正硅酸甲酯（TMOS）取代水玻璃制備出氧化硅氣凝膠，而后Arlon Hunt（Berkeley）用正硅酸乙酯（TEOS）取代TMOS于1983年制備出氧化硅氣凝膠。20世紀90年代至21世紀初，氣凝膠因具有超級絕熱、耐火性強、耐候性好以及良好的光學、聲學性能等特點，在建筑節能領域的應用前景逐漸顯現，有關氧化硅氣凝膠的研究飛速發展。前文所述制備工藝涉及的溶劑置換和超臨界干燥技術成本高、過程冗長且方式繁瑣，是限制其工業化應用的重要因素。如何解決該問題并推動其大規模實際生產、應用，也是該領域的研究熱點。

近年來，低成本、快速的常壓制備技術［21］得以研發，不僅替代了高成本、高危險性的超臨界干燥工藝，而且具有表面預改性的同時可以和纖維整體復合成型，極大地改進了氧化硅氣凝膠材料的性能，促進了其在建筑節能領域的應用，推動了其產業化生產。氧化硅氣凝膠低成本常壓干燥制備技術流程見圖1。

圖1 氧化硅氣凝膠低成本常壓干燥制備技術流程圖Fig.1 Process flow diagram of low cost atmospheric drying preparation technology for silica aerogels

1.2 氣凝膠材料的性能

氧化硅氣凝膠本身具有較大的孔隙率和紅外透過率，脆性大、強度低。為促進其在建筑節能領域的應用，常在制備過程中加入一定的組分如纖維、遮光劑等，改善其在力學、光學、高溫隔熱等方面的性能。

氣凝膠基體制備過程中加入一定量的增強纖維以制備纖維/氧化硅氣凝膠復合材料是目前改進其綜合性能較為行之有效的方法，常用的增強纖維類型有束狀纖維、預制件纖維、納米纖維等［22］。通過該方法制備的氣凝膠絕熱材料，其導熱系數可低于0.015 W/（m·K）、密度低于215 kg/m3、體積吸水率低于1%、壓縮強度大于120 kPa；具備A級燃燒等級（不燃），耐熱溫度高達800℃；疏水角大于115°，屬憎水性材料，在潮濕環境下仍能維持良好的隔熱性能。

通過加入纖維、遮光劑組成的纖維/遮光劑/氣凝膠三元體系，不僅改善了氣凝膠的力學性能，更提高了其輻射隔熱性能。Yang等［23］采用溶膠-凝膠法和常壓干燥工藝制備了三元遮光劑/纖維/氣凝膠復合材料。研究發現，三元復合材料的耦合熱導率是總熱導率的正增量，且在摻量一定時耦合熱導率最大；在氣凝膠含量不變的情況下，增加遮光劑與纖維的含量差異是降低耦合導熱系數的有效途徑。

近年來，以氣凝膠為芯材、三元體系為基礎，綜合真空絕熱技術，進一步發展、制備出了氣凝膠真空絕熱板（AVIP）。通過優化氣凝膠絕熱板的纖維含量、孔隙率、氣凝膠密度等參數，可大大提高氣凝膠材料的使用壽命和絕熱性能。研究表明，當纖維體積分數為1.8%～20%、氣凝膠密度為50～143 kg/m3時，有望提升真空板的建筑使用壽命至50 a；優化氣凝膠材料的納米孔網絡結構至孔徑為5～15 nm時，AVIP在較高壓力下仍能維持較低的導熱系數。

2 氧化硅氣凝膠絕熱材料的建筑應用

2.1 超輕氣凝膠泡沫混凝土

泡沫混凝土相較于普通混凝土，因具有自身質量輕（325～600 kg/m3）、隔熱耐火、導熱系數低［0.07～0.16 W/（m·K）］、隔音和抗凍等特點，在建筑圍護、保溫領域應用廣泛［24-25］。為制得高性能的泡沫混凝土，在制備過程中常摻入不同性能的摻合料（如粉煤灰、礦渣、硅粉、陶瓷顆粒、石墨、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維等）［26-28］。但是，各種外加料的摻入在提高泡沫混凝土某一方面性能的同時會降低其他性能，而且制作過程難成型以及強度與保溫互為矛盾等仍是泡沫混凝土存在的較大問題。

以氣凝膠為填充材料制備的新型高性能氣凝膠泡沫混凝土則可進一步有效降低混凝土的干密度和導熱系數，具有更好的保溫隔熱性能［29］。Liu等［30］采用溶膠-凝膠法、真空浸漬法和快速超臨界干燥法合成了超輕氣凝膠泡沫混凝土，制得的復合材料具有較高的氣凝膠填充度（占基體體積的74%），且氣凝膠組分仍保持多孔納米結構，氣凝膠的引入對基體材料的力學強度影響不大但保溫性能有較大提高，其導熱系數低至0.049 W/（m·K），相較于傳統泡沫混凝土降低了48.4%。與傳統泡沫混凝土相比，氣凝膠泡沫混凝土成型性與強度明顯提升（見圖2），促進了泡沫混凝土在建筑領域的應用。

圖2 泡沫混凝土成型比較：氣凝膠泡沫混凝土（a）；傳統泡沫混凝土（b）［31］Fig.2 Comparison of foam concrete molding：aerogel foam concrete（a）；traditional foam concrete（b）［31］

2.2 超高性能氣凝膠絕熱板

在建筑圍護結構方面，氣凝膠絕熱板（AIP）亦得到了一定的發展。其是將純氣凝膠和纖維以及其他摻料等復合而成［15］，常見的有纖維氈/氣凝膠復合板［32］、三元遮光劑/纖維/氣凝膠復合板［33］等。通過與傳統保溫隔熱材料（聚苯乙烯泡沫、玻璃纖維氈）的實驗對比發現，氣凝膠絕熱板的溫度波延遲時間比傳統保溫隔熱材料提高1倍，衰減倍數增大40%，其熱工性能明顯優于傳統保溫隔熱材料［34］。

Ibrahim等［35］基于氧化硅氣凝膠新型超級絕熱板開發了兩種保溫體系，即外保溫復合體系和內保溫多層體系，對氣凝膠絕熱板芯材的熱、濕和機械性能進行了表征。采用氧化硅氣凝膠新型超級絕熱板的內保溫多層墻體顯示出良好的隔熱性能，采用保溫系統后圍護結構熱導率降低80%以上；在外保溫復合體系下氧化硅氣凝膠新型超級絕熱板可有效防止墻體受潮，而對于內保溫墻體即使室內產生大量水分墻內相對濕度仍低于85%；與不采用氧化硅氣凝膠新型超級絕熱板的墻體相比，其噪音可降低1/4，減幅達到7 dB。

2.3 超低傳熱系數氣凝膠節能玻璃

中空玻璃是由兩層或兩層以上的平板玻璃為原片，在原片與鋁合金框和橡膠條四周用高強氣密性膠黏劑將其密封，中間充入干燥氣體，框內充以干燥劑制成。因其具有優良的隔熱、隔聲和防結露性能，在建筑圍護結構中可代替部分圍護墻。將氣凝膠作為填充物料制成新型氣凝膠玻璃，除具有上述中空玻璃的優良特點外，還能夠有效降低太陽輻射透過率和傳熱系數，作為高性能建筑玻璃能顯著降低建筑能耗［36-38］。

Garnier等［39］研發的超級隔熱氣凝膠玻璃窗傳熱系數可低至0.3 W/（m2·K），日光透射率較傳統氬氣涂層雙層玻璃窗降低56%。Buratti等［40］研究表明，當氣凝膠填充厚度為15 mm時，與常規玻璃窗相比傳熱系數可降低63%，透光率降低30%。呂亞軍等［41］研究了顆粒粒徑與填充厚度對氣凝膠玻璃透光性能和隔熱性能的影響，結果表明粒徑小的氣凝膠在降低玻璃傳熱系數方面優于大粒徑氣凝膠，當氣凝膠粒徑從0.41 mm增大至0.93 mm時，玻璃的可見光透過率和太陽輻射均明顯增大，而當粒徑繼續增大時此趨勢不再顯著；此外，通過玻璃隔熱試驗發現，氣凝膠玻璃較普通中空玻璃的隔熱效果可提高5.4～10.2℃。Lolli等［42］以氣凝膠玻璃代替含氬氣的三層玻璃，對比發現當氣凝膠嵌裝玻璃的比例增加到總窗面積的98%時，實現的生命周期溫室氣體排放量減少9%（窗墻面積比為0.5，維護時間較短的替代方案），使用整體或顆粒氣凝膠比僅使用含氬氣的三層玻璃窗時的排放量更低。

由于氣凝膠中80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，約3.3 cm厚的氣凝膠相當于20～30塊普通玻璃的隔熱功能；同時氣凝膠對太陽光具有一定的阻擋、過濾作用，使室內光線柔和，起到一定的遮陽效果，可改善室內的舒適性。通常氣凝膠粒徑越小、填充厚度越大，其保溫、遮光效果越明顯，但是遮光能力過大時反而影響室內采光。因此，氣凝膠玻璃的研究應向保溫與遮光可調控方向發展，針對不同氣候區的保溫與采光需求，使保溫性能與采光性能在合理范圍內達到平衡，實現室內的最優舒適性。

3 結論

建筑能耗占全球總能耗的比例較大且持續增長。中國二氧化碳的排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現“碳中和”，其中建筑行業減碳至關重要，對新型建筑保溫隔熱材料與技術的需求更加迫切。氧化硅氣凝膠具有高孔隙率、低熱導率、高溫不燃、輕質、耐候性好及良好的光學和隔聲性能，在建筑圍護結構中具有巨大的應用潛力，是未來建筑節能領域中理想的新型建筑材料。近年來，國內外學者均對其進行了重點研發，在材料的制備與改性、建筑節能應用等方面取得了一定的進展。

新型常壓制備技術在傳統溶膠-凝膠法基礎上對生產工藝進行了改進，替代了高成本、高危險性的超臨界干燥工藝的同時，還可以進行表面預改性，可以和纖維整體復合成型，并且可以加入遮光劑組成纖維/遮光劑/氣凝膠三元體系，綜合改進氣凝膠制品的力學、光學、熱工性能和疏水性以及使用壽命，為其在建筑節能領域的應用奠定了基礎。通過與其他建筑材料復合，優勢互補，氧化硅氣凝膠絕熱材料在建筑節能應用方面（如非承重墻、膠氈和板材、建筑玻璃等）表現出廣泛的應用潛力。

隨著建筑節能領域的發展，對氧化硅氣凝膠絕熱材料的性能提出了更多功能性要求，對氧化硅氣凝膠材料還需開展更系統的基礎研究以及工程應用技術研發，推動建筑減碳與可持續發展。