SiO2氣凝膠保溫隔熱材料及其在建筑節能中的應用

王 虎，劉明輝，孫曉瑜，魏 莉

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

自1970年代能源危機以來，建筑節能就引起了人們的極大關注。按照目前的消耗速度，煤炭儲量約在130年內消耗完，天然氣約在60年內消耗完，石油在40年內消耗完[1]。建筑行業作為最大的能源消耗和溫室氣體排放源(建筑能耗占世界總能耗的36%和CO2排放占世界CO2排放總量的39%[2])，是造成溫室效應、大氣污染、環境惡化等一系列問題的主要原因，建筑節能已然成為21世紀第三個十年中最重要的全球性課題之一。

研究表明，70%以上的建筑能耗是由維護結構的傳熱造成的，減少維護結構的傳熱能耗對降低建筑能耗至關重要，關鍵措施是應用性能優異的保溫隔熱材料。即使在大多數國家使用保溫隔熱材料30年后，保溫隔熱材料的研發也一直是熱點。如果沒有高效保溫隔熱的建筑圍護結構，近零能耗建筑以及零能耗建筑幾乎是無法實現的[3]。SiO2氣凝膠是近年來出現的新型保溫隔熱材料，它具有超低導熱系數、耐火不燃、透明、環保、疏水、無毒、輕質等特點，與傳統保溫隔熱相比擁有更大的功能優勢，是目前最先進且最具潛力的超級保溫隔熱材料，在建筑節能領域擁有廣闊的應用前景。本文首先簡要介紹了SiO2氣凝膠的制備方法、性質及保溫隔熱機理，最后總結了SiO2氣凝膠在建筑保溫隔熱領域的應用研究進展。

1 氣凝膠保溫隔熱材料

氣凝膠作為一種新型絕熱材料，1931年由美國斯坦福大學學者Stephan Kistler首次制備而成[4]，但直到最近二十年才引起了人們對這種材料的極大興趣。2015年后，SiO2氣凝膠因其絕佳的保溫隔熱特性在我國逐漸開始生產和應用。

1.1 SiO2氣凝膠的制備

SiO2氣凝膠制備方法有多種，最典型的是醇鹽溶膠-凝膠工藝。主要分三個階段，合成示意圖見圖1[5]。第一階段通過添加催化劑的前驅體溶液(硅源)制備凝膠。第二階段凝膠在水中或母液中老化。該過程賦予了凝膠更高的強度和剛度，防止在諸如常壓干燥等干燥過程中強大的毛細力作用下，孔隙中的凝膠塌陷。第三階段對老化后的凝膠進行干燥。干燥是為了把凝膠孔隙中未反應的溶劑和水除掉，讓氣體分散介質充滿在孔隙中，決定了SiO2氣凝膠的質量和性能是否優異。目前，最常見的干燥技術有3種，分別為常壓干燥、超臨界干燥和真空冷凍干燥。

圖1 SiO2 氣凝膠制備過程

1.2 SiO2氣凝膠的性質

SiO2氣凝膠獨特的三維納米網絡多孔結構賦予其無與倫比的特性。SiO2氣凝膠內部96%以上的成分是由氣體組成，孔隙率高達85.0%～99.8%，輕若薄霧顏色泛藍，故又被稱為“藍煙”。因此，當其加入到復合材料中時會降低材料的整體密度，從而降低建筑圍護結構的重量。SiO2氣凝膠導熱系數低至0.013 W/(m·K)，適用于-200～800 ℃的溫度范圍，應用到建筑圍護結構上可顯著提高建筑的保溫隔熱性能。SiO2氣凝膠防火等級為A1級，即使發生火災時也無有害氣體放出，綠色環保。SiO2氣凝膠可見光波段內的透過率高達90%以上，相對折射率接近于1，具有透明和半透明之間的光學特性。SiO2氣凝膠縱向聲傳播速率為100 m/s，也可用作隔音材料和吸音材料。

SiO2氣凝膠強度低、韌性差，單獨使用往往無法滿足建筑用力學標準。普通SiO2氣凝膠孔道內有大量硅羥基，與空氣中水接觸會吸水而開裂，結構坍塌，致使性能嚴重下降?？捎萌谆柰橹惖谋砻嫘揎椧喝〈枇u基，由親水轉疏水。SiO2氣凝膠近紅外波段透過性強，致使高溫隔熱性差，需添加紅外遮光劑來增強對高溫紅外線輻射的抵抗[6]。

1.3 SiO2氣凝膠的保溫隔熱機理

SiO2氣凝膠基體中的傳熱主要包括：固相導熱、氣相導熱和紅外熱輻射三部分。對于納米多孔保溫隔熱材料來說，固相熱導率與密度和孔隙率有關，氣相熱導率受孔徑尺寸、孔徑分布和孔體積等因素的影響。SiO2氣凝膠的低密度和高孔隙率是保持較低固相熱導率的關鍵。SiO2氣凝膠孔內分散的氣體主要為N2和O2，氣體分子運動的平均自由程大于SiO2氣凝膠的孔洞尺寸，氣體分子碰撞幾率幾乎為零，熱對流傳熱很低，氣相導熱系數極小。SiO2氣凝膠中大量孔隙形成無數個界面對熱輻射的反射、折射、吸收作用可大大抑制熱輻射導致的熱量散失[7]。

2 SiO2氣凝膠在建筑保溫隔熱中的應用

作為一種新型材料，SiO2氣凝膠價格一直較高，因此很少用在建筑領域。近年來，隨著制備SiO2氣凝膠的工藝不斷改進，產量不斷增加，其價格也在不斷下降。因出色的絕熱特性，人們一直沒有放棄將SiO2氣凝膠在建筑領域中應用的努力。SiO2氣凝膠在建筑保溫隔熱中的應用形式通常為復合材料制品，且具有多種形態，包括SiO2氣凝膠玻璃、SiO2氣凝膠水泥基復合材料、SiO2氣凝膠纖維復合材料、SiO2氣凝膠涂料以及其他新型SiO2氣凝膠復合材料。

2.1 SiO2氣凝膠玻璃

SiO2氣凝膠玻璃通常是指將氣凝膠填充到兩片玻璃中間，形成一種“三明治”結構，可分為整塊狀填充和顆粒狀填充兩類。Duer和Lampet[8]發現整塊狀SiO2氣凝膠在玻璃窗戶單元展現出優異的絕熱性能。但由于整塊氣凝膠的機械強度較弱，大規模制造時往往會由于其脆性而出現裂紋，導致市面上幾乎沒有整塊填充氣凝膠玻璃。為了擴大整塊氣凝膠玻璃的生產，Bhuiya等[9]通過熱處理去除了SiO2氣凝膠生產中的殘留溶劑，并將玻璃透明度提升了10%，生產成本卻過高。Zinzi等[10]通過快速超臨界萃取技術生產了價格相對合理的整塊狀SiO2氣凝膠，但獲得的SiO2氣凝膠仍然很小，無法應用于窗戶。因此，顆粒狀是該類型的最佳選擇。Garnier等[11]在氬氣涂層雙層玻璃中加入SiO2氣凝膠顆粒，傳熱系數可低至0.3 W/(m2·K)，并可有效降低太陽能輻射的熱傳輸。Lolli等[12]用SiO2氣凝膠顆粒替換三層氬氣中空玻璃中的氬氣，與原玻璃相比最高可節省20%的供暖能源。Belloni等[13]在雙層玻璃的間隙中混合了SiO2氣凝膠顆粒和中空二氧化硅粉末，通過驗證模型對東京一棟參考建筑進行了能源分析，發現氣凝膠玻璃在所有不同的朝向條件下的加熱能量需求方面都優于標準的低輻射玻璃。

當前研究熱點是將相變材料(PCM)和SiO2氣凝膠一起填充到玻璃中，以增強熱儲存或增加太陽能增益。Büttner等[14]在玻璃面板之間結合了真空和SiO2氣凝膠，也就是形成氣凝膠柱，傳熱系數約0.5 W/(m2·K)，具有高透射率和高太陽能增益。Zhang shu等[15]在三層普通6 mm浮法玻璃中模擬填充石蠟和SiO2氣凝膠。研究表明，在中國嚴寒冬季氣候下，含有12 mm厚度的SiO2氣凝膠和283 K熔化溫度石蠟的三層玻璃窗與傳統三層玻璃窗相比，節能率為56.67%。

2.2 SiO2氣凝膠水泥復合材料

在過去十年中，對SiO2氣凝膠的水泥復合材料的研究主要集中將SiO2氣凝膠慘入泡沫混凝土、保溫砂漿和作為可用作結構和隔熱材料的輕質復合材料。

2.2.1 SiO2氣凝膠泡沫混凝土

泡沫混凝土作為一種多孔輕質混凝土，相比于普通混凝土，其導熱系數低、隔熱耐火、吸音降噪、低彈抗震，可用于建筑屋面、墻體、墻面、等地方的保溫隔熱。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。因此，國內外對SiO2氣凝膠混凝土的研究集中在把SiO2氣凝膠作為填充材料來制備高性能氣凝膠泡沫混凝土上。Liu等[16]用溶膠-凝膠、真空浸漬和快速超臨界干燥工藝合成出一種填充度高達74vol%的SiO2氣凝膠泡沫混凝土，模擬應用在冬季寒冷的芝加哥可節電98.3 MWh。Yoon等[17]在普通泡沫混凝土中分別嵌入三甲氧基硅烷合成與三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯混合物合成的SiO2氣凝膠。研究表明：與原相比，兩種不同類型的SiO2氣凝膠泡沫混凝土機械性能均未受顯著影響，熱導率分別降低了13%和18%。付平等[18]在SiO2氣凝膠泡沫混凝土制備過程中引入玻璃纖維。當纖維含量為0.9%時，導熱系數為0.058 W/(m·K)，抗壓強度為0.32 MPa。李朋威等[19]將自制的納米多孔SiO2氣凝膠加入到具有微米級和毫米級孔徑的泡沫混凝土中，導熱系數最小可達0.049 W/(m·K)，并且滿足建筑標準要求的力學強度。Haiying Zhang等[20]使用密度為200 kg/m3和0.045 8 W/(m ·K)熱導率的超輕質SiO2氣凝膠制備泡沫混凝土，并比較了動態隔熱材料-RC模型與發泡聚苯乙烯(EPS)和普通混凝土的性能。研究結果表明，SiO2氣凝膠泡沫混凝土的熱損失比普通混凝土低近3倍，在寒冷天氣下有著更好的保溫隔熱效果。

2.2.2 SiO2氣凝膠保溫砂漿

SiO2氣凝膠顆?；蚍垠w作為功能結構材料的保溫骨料摻入到砂漿中，能有效降低砂漿的導熱系數，可應用于建筑內外墻。SiO2氣凝膠填充到膨脹珍珠巖熱導率會降低14.7%～31.8%[21]，因此一些研究使用填充SiO2氣凝膠的膨脹珍珠巖作為骨料提高砂漿的保溫隔熱性能。Wang等[22]發現SiO2氣凝膠填充的膨脹珍珠巖級配對砂漿的保溫隔熱性能起著重要作用。含有100%的氣凝膠填充非級配膨脹珍珠巖代替沙子樣品的導熱系數為0.263 W/(m·K)，而含有氣凝膠填充的級配膨脹珍珠巖樣品的導熱系數為0.098 W/(m·K)。賈冠華等[23]把膨脹珍珠巖浸漬到SiO2氣凝膠溶液中，后經凝膠干燥處理，使氣凝膠均勻分布在膨脹珍珠巖的孔隙中，添加到砂漿后導熱系數可低至0.044 2 W/(m·K)。Qiuhui Yang等[24]把酸/堿兩步催化的濕凝膠引入膨脹珍珠巖中，最小導熱系數為0.036 W/(m·K)，最小吸水率為9.2%，抗壓強度為0.214 MPa。也有研究人員把SiO2氣凝膠與軟木結合進行實驗分析，如Pereira等[25]在比較不同材料制備的保溫砂漿保溫性能和力學性能時，發現雖然SiO2氣凝膠和粒狀軟木基砂漿的機械性能均低于其他用膨脹粘土和沙子制備的砂漿，但常溫和高溫下的隔熱性能卻都更好。Morgado André等[26]還報道了用再造粒膨脹軟木、SiO2氣凝膠和膨脹聚苯乙烯的抹灰可以有效降低抹灰的隔熱性能。Bostanci[27]是對廢橡膠制成的堿活化礦渣砂漿進行了研究，在SiO2氣凝含量0.35wt%時，熱導率降低了21.83%。

2.2.3 SiO2氣凝膠輕質水泥復合材料

許多研究人員因用途不夠明確，固用“輕質水泥復合材料”來描述他們的產品。Pedroso等[28]在高效減水劑和樹脂改進后的水泥基體中加入SiO2氣凝膠，獲得了一種具有高隔熱性能的輕質水泥復合材料(nanoSIR)，導熱系數可低至0.029 W/(m·K)。Lu等[29]研究了用硅烷偶聯劑K5-550改性后的輕質SiO2氣凝膠/水泥復合材料的性能，發現66vol%改性氣凝膠樣品的導熱系數為0.067 W/(m·K)。Jang等[30]研究了具有碳納米管和SiO2氣凝膠的輕質水泥復合材料，發現氣凝膠含量為0.25%～2%時，材料的熱導率均降低，而機械強度的變化可以忽略不計。

2.3 SiO2氣凝膠纖維復合材料

由于SiO2氣凝膠強度低、韌性差，因此在制備過程中往往會將其充漬纖維預制件中，經過凝膠老化、干燥過程而得到SiO2氣凝膠復合材料——SiO2氣凝膠板和SiO2氣凝膠氈。

2.3.1 SiO2氣凝膠板

板材類型包括SiO2氣凝膠真空絕熱板和SiO2氣凝膠保溫板。SiO2氣凝膠真空絕熱板是把熱解的SiO2氣凝膠顆粒/玻璃纖維和金屬聚合物組合，通常用作頂層公寓的保溫隔熱材料。梁玉瑩等[31]通過一維穩態導熱建立起SiO2氣凝膠復合真空絕熱板熱導率的理論模型，表明氣凝膠復合真空絕熱板的熱導率隨氣凝膠密度的增大而增大，且氣體壓力為1 Pa、纖維素含量為7.3%時導熱系數為0.003 5 W/(m·K)(最低)。隨后梁玉瑩[32]又通過微觀結構建立氣凝膠真空絕熱板隔熱性能和使用壽命的計算模型，發現氣凝膠真空絕熱板壽命可高可達50年。Liang等[33]制備的纖維氈/SiO2氣凝膠的VIP芯，當氣體壓力為1 Pa和0.1 Pa時，導熱系數為0.004 3 W/(m·K)和0.003 9 W/(m·K)。SiO2氣凝膠保溫板多用作墻體的保溫隔熱。J.Yang等[34]通過實驗評估氣凝膠保溫板、發泡聚苯乙烯、玻璃棉內部空氣溫度達到最大值的關鍵時間，發現氣凝膠保溫板的時間最長(超過10 h)。Ibrahim等[35]將SiO2氣凝膠新型超級絕熱板應用到內保溫多層墻體上顯示出良好的保溫隔熱性能，與不采用絕熱板的墻體相比熱導率降低80%以上。Qiuhui Yan等[36]采用浸漬—常壓干燥法分別制備了SiO2氣凝膠/巖棉復合板和SiO2氣凝膠/玻璃棉復合板，有效改善了巖棉和玻璃棉的短期吸水性、導熱性和耐壓性。當氣凝膠添加量為8%，浸漬時間20 min時，導熱系數為0.033 0 W/(m·K)和0.026 3 W/(m·K)。

2.3.2 SiO2氣凝膠氈

SiO2氣凝膠氈在建筑行業的應用相對較新，一般應用在空間和重量受限的項目。Nocentini等[37]通過微波加熱表征了聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和玻璃纖維兩種不同纖維網絡的SiO2氣凝膠氈，發現在相對濕度較高的環境中，兩種氣凝膠氈的導熱系數均低于0.021 W/(m·K)。Hoseini等[38]對4種商業氣凝膠氈進行20次壓縮減壓加載，氈子的熱導率變化均低于5%。Huang等[39]以潮濕的亞熱帶氣候下的典型辦公樓為模型，分析了一種新型超級隔熱SiO2氣凝膠氈以及EPS、XPS、PU和GF的最佳保溫厚度。研究表明，與混凝土墻中的 PU(38 mm)、XPS(44 mm)、GF(45 mm)或 EPS(70 mm)相比，氣凝膠的最薄(3.7 mm)。

2.4 SiO2氣凝膠涂料

SiO2氣凝膠涂料是將氣凝膠粉體分散在專用高性能樹脂乳液中，或與無機粘結劑體系中復合制備而成，直接用到建筑內外墻具有保溫隔熱、隔音降噪、抗震、防火等功能。劉成樓等[40]用交聯丙烯酸乳液為成膜物制備的SiO2氣凝膠隔熱保溫涂料導熱系數低至0.027 W/(m·K)，涂在鋼板試驗箱上，觀察到1 mm厚度的涂層比8 cm厚的聚苯泡沫板隔熱效率都高。Noppakun Sanpo等[41]通過將SiO2氣凝膠與丙烯酸粘合劑混合制成一種簡單的保溫隔熱涂料。在密閉室中，涂料涂層的溫差測量可使表面溫度平均降低25%，但是在通風的環境下保溫效果會大打折扣。Yanru等[42]把焚燒爐底灰制備的SiO2氣凝膠水性涂料涂在水泥板基材上與在60 ℃的加熱板上，與沒有氣凝膠涂料的情況相比，它實現了高達12 ℃的表面溫度改進，并且在外部溫度為44.6 ℃的情況下，室內溫度降低了1 ℃。

2.5 其他材料

由于SiO2氣凝膠的多功能性，將它結合到不同的基質中開發新的復合材料。Masera等[43]設計了一種基于SiO2氣凝膠用于室內能源改造的紡織墻紙，在室內熱力改造方面取得了可喜的成果。Jia等[44]制備了一種超低導熱系數[0.026 W/(m·K)]的全生物降解超輕乳酸/SiO2氣凝膠納米復合材料。Abd Halim等[45]以SiO2氣凝膠為填料制備了熱性能改善的單組分室溫硫化硅橡膠復合材料，在建筑保溫和防火方面具有潛在的應用前景。

3 結 語

SiO2氣凝膠保溫隔熱材料的使用對建筑節能產生積極影響，可以顯著減少溫室氣體CO2的排放(高達約65%)，契合我國碳中和節能減排大趨勢。從現階段的發展來看，針對SiO2氣凝膠保溫隔熱材料還需要展開更系統的工程應用技術研發，如復合材料的長期行為、膠凝材料與氣凝膠的化學反應機理、計算最佳保溫厚度等。SiO2氣凝膠保溫隔熱材料未來必將廣泛應用于建筑節能領域。