新型氣凝膠材料在建筑節能領域的應用探究

1前言

在全球能源需求持續增長與環境保護意識日益增強的背景下，建筑節能已經成為實現可持續發展自標的重要組成部分，由于建筑能耗在社會總能耗中占有顯著的比例，減少建筑能耗對于緩解能源危機以及降低環境污染具有重大意義。新型氣凝膠材料作為一種性能卓越的材料，為建筑節能領域提供了新的解決方案，其獨特的納米多孔結構賦予了氣凝膠極低的密度、優異的隔熱性能、良好的防火性能以及隔音效果等特性，使其在建筑保溫隔熱、防火安全等方面展現出了廣闊的應用前景。深人研究新型氣凝膠材料在建筑節能領域的應用，對推動建筑行業的綠色轉型、實現節能減排目標具有重要的現實價值。

2新型氣凝膠材料概述

2.1氣凝膠的定義與結構特點

氣凝膠是一種具備納米多孔網絡結構的輕質材料，其內部主要由氣體構成，固體成分含量極少，這種材料的納米多孔結構賦予了它極高的比表面積，通常能夠達到每克數百平方米，并且其孔隙率范圍在 80%～99.8% 之間，獨特的納米級結構賦予了氣凝膠一系列優異特性，包括極低的密度、低熱導率、高孔隙率和高比表面積等。以硅基氣凝膠為例，其密度可以低至 3kg/m³ ，僅為空氣密度的2.7倍，是目前世界上最輕的固態物質之一。圖1為硅基氣凝膠結構圖。

2.2氣凝膠的分類

氣凝膠按其化學成分可以劃分為硅基氣凝膠、碳基氣凝膠、金屬氧化物氣凝膠、有機聚合物氣凝膠等多種類型。在這些材料中，硅基氣凝膠為一種新型的氣體凝膠材料，在化學、隔熱、力學等方面都表現出優異的性能。碳基氣凝膠因其高電導率和高比表面積，在儲能和吸附等方面表現出了良好的應用前景。金屬氧化物氣凝膠如氧化鋁氣凝膠和二氧化鈦氣凝膠，是一類特殊的光、電和催化性質的氧化物氣凝膠。以聚氨酯氣凝膠、酚醛氣凝膠為代表的有機聚合物氣凝膠是一種優良的柔性材料。

2.3氣凝膠的制備方法

氣凝膠的制備技術主要包括溶膠-凝膠法、模板法以及化學氣相沉積法等。溶膠-凝膠法在這些方法中是目前最常被采用的技術，其核心在于通過金屬醇鹽或無機鹽在溶液中的水解以及縮聚反應，生成均勻的溶膠，隨后經歷凝膠化、老化以及干燥等步驟，最終形成氣凝膠。在溶膠-凝膠過程中，通過對諸如溫度、pH值和反應物濃度等因素的精確控制，可以有效地調控氣凝膠的微觀結構及其性能；模板法依賴于模板劑提供的結構導向作用來制造具有特定形態和結構的氣凝膠，例如，介

孔結構或有序多孔結構，這種方法能夠顯著提升氣凝膠的功能性和性能；而化學氣相沉積法則是在高溫和催化劑的幫助下，將氣體狀態的反應物沉積到基底表面，并通過化學反應生成氣凝膠，此方法特別適用于制備高質量以及高精度的氣凝膠薄膜及涂層。

3新型氣凝膠材料在建筑節能領域的應用3.1氣凝膠在建筑墻體保溫中的應用

3.1.1氣凝膠保溫板

氣凝膠保溫板是通過將氣凝膠與其他材料復合制成的高效隔熱板材，其生產工藝極為精細，在真空環境中利用特殊的溶膠-凝膠技術實現了氣凝膠與其他材料的均勻混合。該材料的導熱系數非常低，通常介于0.013W/（m?K）～0.025W/（m?K） 之間，僅為傳統保溫材料（如聚苯板和巖棉板）的三分之一到五分之一。根據熱阻計算公式 （d 為材料厚度， λ 為導熱系數），在相同的厚度條件下，氣凝膠保溫板的熱阻更高，這意味著熱量更難以穿透。其應用于建筑物墻體時，能夠顯著提升隔熱性能，大幅度減少熱量傳遞以及建筑供暖與制冷的能耗[2]。

3.1.2氣凝膠保溫砂漿

氣凝膠保溫砂漿是通過將氣凝膠粉末添加到傳統砂漿中制備而成的，能夠顯著降低砂漿的導熱系數，增強其保溫隔熱性能。這種保溫砂漿不僅具備優良的施工性能，可以直接應用于墻體表面的涂抹作業，而且能與墻體基層結合牢固，不易出現開裂或脫落的現象。圖2為氣凝膠無機保溫砂漿。

3.2氣凝膠在節能門窗中的應用

3.2.1氣凝膠節能玻璃

氣凝膠節能玻璃是通過將氣凝膠填充于玻璃之間或涂覆在玻璃表面而制成的一種新型節能玻璃，由于氣凝膠熱導率較低（熱導率一般比普通玻璃小）且擁有較高的透光率，因此，其在保溫、透光等方面表現出優良的保溫效果。根據熱傳導公式 （其中Q為傳熱量，為導熱系數，A為傳熱面積， ΔT 為溫差，d為材料厚度），相較于普通的中空玻璃，氣凝膠節能玻璃的保溫效果可提升 30%～50% ，并可有效地減少室內和室外的熱交換，達到節約能源的目的。在冬天，采用氣凝膠節能玻璃，可以有效地阻止空氣中的熱能流失，使房間變得更加暖和；在夏天，它可以阻擋室外熱量進入室內，減少了空調的負荷。另外，該材料還具備絕佳的隔聲效果，可以減少外部噪聲對房間的影響，提升人們的生活舒適度。

3.2.2氣凝膠密封材料

氣凝膠密封材料作為一種新型的密封材料，其彈性好、密封效果好，可以應用在建筑、門窗等的密封施工中。氣凝膠密封材料可以有效地填補縫隙，阻斷氣流，降低室內的熱傳輸，從而達到節能的目的。該產品具有長效、穩定性好、不易老化、不易變形等特點，可在較長時間內維持較好的密封作用。將氣凝膠密封材料作為一種新型的隔熱保溫材料，并應用于建筑門窗的施工中，可以有效地改善其氣密性、水密性，從而達到節能、防水的目的。

3.3氣凝膠在建筑屋面保溫中的應用

3.3.1氣凝膠隔熱涂料

氣凝膠隔熱涂料是通過將氣凝膠粉末混入涂料中而制成的一種高效隔熱材料，這種涂料不僅具備較高的太陽輻射反射率以及較低的導熱系數，還能有效反射太陽輻射熱，阻止熱量向建筑物內部傳導。氣凝膠隔熱涂料在炎熱的夏季可以使屋面表面溫度下降 10^°C～20^°C ，從而減少室內空調系統的能耗，同時，其施工工藝簡便，可以通過噴涂或刷涂的方式直接應用于屋面表面，形成一層均勻且高效的隔熱層。該涂料還表現出優異的耐候性、防水性以及抗腐蝕性能，在惡劣環境條件下依然能夠長期穩定使用，保護屋面結構并延長其使用壽命。圖3為氣凝膠隔熱涂料結構圖。

3.3.2氣凝膠保溫卷材

氣凝膠保溫卷材是通過將氣凝膠與高分子材料復合而制成的一種柔性保溫材料，具有良好的柔韌性和防水性能，可卷曲成卷狀，便于運輸和施工。氣凝膠保溫卷材的導熱系數低，保溫隔熱性能優異，可有效減少屋面熱量的傳遞。在屋面防水保溫工程中，氣凝膠保溫卷材可與防水卷材復合使用，形成一體化的防水保溫系統，提高屋面的防水保溫效果。其施工方便快捷，可大幅度縮短施工周期，降低施工成本。

3.4氣凝膠在建筑管道保溫中的應用

3.4.1氣凝膠保溫氈

氣凝膠保溫氈是由氣凝膠與纖維材料復合而成的一種柔性保溫材料，具備超低的導熱系數、出色的柔韌性以及優異的疏水性能，該材料能夠緊密貼合管道表面，有效防止管道內部熱量的散失，從而減少能源浪費。在熱水管道與蒸汽管道等供熱系統中，使用氣凝膠保溫氈可以顯著降低管道的熱損失，提高能源利用效率。其安裝簡便，可以根據管道的具體形狀以及尺寸進行裁剪和包裹，并且由于其具有的長使用壽命和高耐久性特點，減少了管道保溫系統的維護成本。

3.4.2氣凝膠保溫管殼

氣凝膠保溫管殼是專為管道保溫設計的一種預制型保溫材料，其形狀與管道完全匹配，可以直接套用在管道上，這種材料不僅具備優異的保溫性能以及機械強度，還能承受一定的外部沖擊和振動。在工業和建筑領域的管道保溫工程中，氣凝膠保溫管殼得到了廣泛應用，能夠顯著提升管道的保溫效果，確保管道系統的正常運行。該產品的安裝過程快速便捷，接口處密封緊密，有效防止熱量流失和水分侵入，從而保障了管道的保溫性能及延長了其使用壽命。

4新型氣凝膠材料在建筑節能領域的應用案例分析

某商業建筑位于北方寒冷地區，為了提升建筑節能水平，進行外墻保溫改造，選用氣凝膠保溫板替代原有的傳統保溫材料。改造完成后，通過專業能耗監測設備在一個供暖季的持續監測顯示，該建筑冬季供暖能耗降低了 30% 。在室內舒適度方面，改造前室內溫度波動范圍較大，在人員活動頻繁區域，溫度波動可達 ±3^°C 。而采用氣凝膠保溫板后，室內溫度波動顯著減小，控制在 ±1.5^c 以內，使得室內溫度更加穩定，用戶舒適度明顯提升。由于氣凝膠保溫板的密度遠低于傳統聚苯板，經過計算，建筑結構負荷減輕了約80噸，有效減少了建筑基礎所承受的壓力。從長遠來看，這不僅降低了建筑結構維護成本，還延長了建筑物的使用壽命。此案例直觀地展示了氣凝膠保溫板在節能降耗、提高室內環境質量以及減輕建筑結構負擔等方面所具備的顯著優勢。

5結論

新型氣凝膠材料憑借其卓越的隔熱性能、出色的防火能力、優異的隔音降噪效果以及環保節能特性，在建筑節能領域展現了廣闊的應用前景。盡管當前氣凝膠材料在成本控制、力學性能和施工技術等方面仍面臨挑戰，但隨著技術的進步與創新，這些問題會在未來逐步得到解決。通過深人研究和案例分析，對氣凝膠材料在建筑墻體、門窗、屋頂、管道等方面的應用進行了探討，結果表明該材料在提升建筑能效和經濟效益方面具有顯著優勢。展望未來，氣凝膠材料有望在建筑節能領域獲得更廣泛的應用，為推動建筑行業的綠色可持續發展做出重要貢獻。

參考文獻

[1]吳長鋒.我科學家研制出新型氣凝膠材料[J].電子質量，2024（11）：99.

[2]王倩，衛向平，宋曉鳳，等.一種新型氣凝膠材料在新生兒PICC中的應用研究[J].粘接，2024，51（9）：61-64.

[3]李曉玲，徐曉輝，陳艷，等.一種新型氣凝膠隔熱屏蔽材料研制

[C]/中國核學會.中國核科學技術進展報告（第八卷）中國核學會2023年學術年會論文集核化工輻射防護.武漢第二船舶設計研究所；，2023：199-204.

[4]詹家干.新型氣凝膠納米隔熱材料在水泥生產線的應用實踐[J].水泥技術，2023（5）：86-90.