SiO2气凝胶在建筑材料领域的应用

 

    SiO2气凝胶材料

 

    气凝胶这种多孔轻质材料，早在70年前就已经被发现，1931年美国加州太平洋大学的Kistler S.采用了超临界干燥的方法从水凝胶中去除水分，得到了第一份没有收缩的气凝胶材料，在这么多年的发展和演化过程中，气凝材料的许多潜在的优良性能都已被开发出来了，现在我们所说的SiO2气凝胶是一种由纳米SiO2骨架组成的半透明材料，它的孔隙率高达99％，密度为0.05～0.2g/cm3，凝胶尺寸小于50nm ，孔直径小于分子的平均自由程，热导率常温下为0.03～0.05W/m·K。所以，最佳的应用就是它的多孔性和超级保温绝热性能。

 

    国内外建筑用SiO2气凝胶应用

 

    SiO2气凝胶在建筑上的应用，在国内尚属空白，现在的研究主要在开发高附加值的应用产品，如应用在航天、药物载体等。而在国外，自2000年以后对于建筑用气凝胶材料已经有了一定的研究和应用。现在主要研究的方向有气凝胶节能窗、气凝胶涂料、气凝胶新型板材和屋面太阳能集热器。

 

    1.气凝胶节能窗

 

    2000年，俄罗斯一家公司首先开发出新型气凝胶玻璃，应用于建筑材料领域。这种玻璃，从外观和透明度看，和普通玻璃相似，但是它耐热性极高，阻燃，抗放射性辐射，还可以调色和吸音。

 

    在双层玻璃中间填充透明保温材料，是降低通过玻璃层传热的方法。硅气凝胶材料有很小的孔结构，比可见光的波长小很多。在气凝胶中，约占体积95％～99％的空气存于比空气平均自由路径小的细孔中。由于气凝胶具有足够的抗压强度，能平衡外界气压，抽真空的气凝胶窗就可以作为透明的分隔条使用。又由于抽真空的气凝胶对于多数红外辐射是不透明的，通过气凝胶窗的纯辐射热损失很少。当前，气凝胶研究着重于开发透明度高、耐久性好、块体大、造价低的保温产品。

 

    Reim M等人在ISOTEG联合项目中，曾经研究出用于屋面绝热的新型建筑用气凝胶玻璃，这种材料既满足热绝缘性能，也满足光学性能的要求，并且这种材料已开始使用。

 

    2.气凝胶新型板材

 

    采用气凝胶生产新型绝热板材是现在国内外研究的重点之一。波士顿Cabet公司是一家化学材料公司，近几年它正在开发一种新型气凝胶绝热板-Nanogel夹芯板，它是一种防潮、防霉、防菌、抗紫外线的完全可循环材料，它不易燃烧且在其生产过程中对臭氧层无任何的破坏作用。其颗粒状的形态可以被紧密压缩为复合结构的夹芯板，新罕布什尔州的Kalwall建筑材料公司利用先进的生产技术成功地设计了一种 Nanogel材料为填充内核的复合结构夹心板——Nanogel夹心板。这种新型板材透光率为20％，而传热系数仅为0.05 W/(m2·K)。而目前绝热性能最好的Kalwall夹芯板也只能透过10％的光线，而其传热系数为0.l W/(m2·K)。目前，Kalwall公司已经将运用这种新型板材的窗配套安装完毕，且造价也与采用Kalwall夹心板的相差无几。这也为该新型板材推向建筑市场提供了经济可行性。

 

    2003年1月，在位于曼彻斯特的一所小型旅馆的室内热水池的屋顶上安装了由Kalwall公司制作的新型屋顶天窗系统。该系统使用新型技术的Nanogel夹芯板取代沿用几十年的Kalwall夹芯板，取得了良好的效果。新的天窗系统在加强透光性的同时，并没有在其隔热层内产生通风效应，同时也不会损失热量，在大雪纷飞的冬季，热水池的高温也不能融化覆盖在天窗上的雪花。

 

    3.屋面太阳能集热器

 

    在国外，气凝胶用于屋面的太阳能集热器已经有很长时间了。在民用领域，太阳能热水器及其他集热装置的高效保温，成了能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高其实用性的关键因素。随着纳米孔超级绝热材料生产技术的不断成熟和生产成本的不断降低，该材料首先应用在家庭及单位的太阳能热水器。将纳米孔超级绝热材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器，将比现有太阳能热水器的集热效率提高一倍以上，而热损失下降到现有水平的30％以下。

 

    Ortjohann在2001年研究出的新型气凝胶真空集热器，集热器的正面填充颗粒状的气凝胶，背面采用不透明的无定形硅作为绝热材料。这种颗粒填充气凝胶最主要的特点就是制作工艺和颗粒搭配问题。在颗粒之间存在气孔，得到的气凝胶材料的导热系数和块体的气凝胶有一定的差距，因此，要控制气凝胶制作过程中的颗粒搭配，才能使得空隙最小。

 

    当前亟待解决的问题

 

    1. 超临界需要的投资大，成本高，高压设备操作危险。因此，到目前为止还没有大规模的商业应用。

 

    2.采用常压干燥和超临界干燥时的缩裂问题。

 

    3.溶剂交换/表面改性，常压干燥工艺用于大规模生产气凝胶时，如何稳定地提高反应速度，加快改性液的渗透性。

 

    4.在建筑上应用，应考虑采用什么样的应用形式。

 

    结论

 

    气凝胶以极佳的绝热性、隔声性和较好的透光性使其为新的生态建材开发提供了基础。虽然这种生态建材在建筑市场上还处于推广阶段，但是其发展前景非常乐观。随着我国建筑节能要求的不断提高，并且学术界对气凝胶的认识也在不断深入，开发以气凝胶为基础原料的生态材料是我们今后的研究方向。