關(guān)鍵詞：氣凝膠；導(dǎo)熱系數(shù)；節(jié)能氣凝膠

作為一種新型納米材料，具有多孔網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，孔洞率在80%以上，是世界最輕的固體，具有較好的保溫隔熱性能和防火性能，見(jiàn)圖1。按組成成分可將其分為有機(jī)氣凝膠（導(dǎo)電高分子氣凝膠、酚醛樹脂氣凝膠等）、無(wú)機(jī)氣凝膠（SiO2氣凝膠）和炭氣凝膠（碳納米管氣凝膠、石墨烯氣凝膠等）3大類。美國(guó)斯坦福大學(xué)Kistler教授于1931年以硅酸鈉為硅源制備水凝膠，采用超臨界干燥方法制備出了SiO2氣凝膠[1]，但當(dāng)時(shí)制備出的SiO2氣凝膠制造成本昂貴，且機(jī)械強(qiáng)度差，僅能用于科學(xué)研究中，無(wú)圖3氣凝膠氈圖2氣凝膠玻璃法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，發(fā)展速度較慢[2]。到20世紀(jì)80年代末，氣凝膠主要應(yīng)用于航空航天、石油煉化開采、軍工等尖端高科技領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，尤其是近十年，氣凝膠材料因其優(yōu)異的防火、隔熱性能開始應(yīng)用于建筑節(jié)能領(lǐng)域。目前，建筑行業(yè)對(duì)氣凝膠的應(yīng)用形式主要有SiO2氣凝膠玻璃、SiO2氣凝膠保溫板、SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料等。中南大學(xué)研制了新型超級(jí)節(jié)能氣凝膠玻璃，用作建筑門窗，可大幅度降低建筑供暖及制冷能耗。同濟(jì)大學(xué)研發(fā)出了氣凝膠保溫板/氈，當(dāng)該材料用于建筑外墻、管道等保溫隔熱時(shí)，其保溫效果為傳統(tǒng)保溫材料的4倍~6倍，并且防火性能、機(jī)械強(qiáng)度等方面都好于傳統(tǒng)保溫材料[3]。

單一的氣凝膠存在機(jī)械強(qiáng)度低的缺陷，為了取得更好的機(jī)械性能，可采用纖維增強(qiáng)進(jìn)行改進(jìn)[4]。高文杰等[5]采用聚酰亞胺纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠，制備出低密度、高比表面積的氣凝膠，具有優(yōu)異的保溫隔熱性能、壓縮性能及熱穩(wěn)定性。當(dāng)聚酰亞胺纖維含量為3%時(shí)，氣凝膠的密度為0.13g/cm3，比表面積高達(dá)997m2/g，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.0291W/（m•K），抗壓強(qiáng)度為0.21MPa。董志軍等[6]制備出莫來(lái)石纖維增強(qiáng)的SiO2氣凝膠，該產(chǎn)品大大增強(qiáng)了氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，對(duì)氣凝膠材料進(jìn)行增強(qiáng)復(fù)合處理研究，可以一定程度上彌補(bǔ)氣凝膠材料的缺陷，得到性能優(yōu)良的氣凝膠節(jié)能材料。

氣凝膠具有密度低、保溫隔熱性能好，同時(shí)兼具防火、隔音、透明度高、耐腐蝕老化等優(yōu)點(diǎn)，近些年在建筑節(jié)能領(lǐng)域中有一定的應(yīng)用，主要形式有氣凝膠板/氈、氣凝膠玻璃、氣凝膠真空絕熱板、氣凝膠混凝土和砂漿、氣凝膠混凝土復(fù)合墻體材料等。2.1氣凝膠玻璃。氣凝膠玻璃是通過(guò)中空玻璃、真空玻璃、夾層玻璃等來(lái)降低玻璃的傳熱系數(shù)，且具有降噪效果，見(jiàn)圖2。鄭思倩[7]利用Matlab軟件模擬了氣凝膠玻璃的節(jié)能性，結(jié)果表明在夏熱冬冷地區(qū)，夏季氣凝膠玻璃有效阻隔了太陽(yáng)的熱輻射，降低熱量損失約20%，冬季氣凝膠玻璃阻隔了室內(nèi)溫暖空氣的熱量損失約40%，節(jié)能效果顯著。王珊[8]以正硅酸乙酯為原料，通過(guò)縮聚反應(yīng)制備出SiO2氣凝膠，將其填充到不同空腔厚度的中空玻璃中。研究表明，粒徑較小的氣凝膠顆粒，增大了填充密實(shí)度，降低了顆粒之間的空氣含量，有效降低熱量的傳遞效率。當(dāng)平均粒徑為0.41mm時(shí)，填充密度為1.022g/cm3，平均粒徑為0.93mm時(shí)，填充密度為0.979g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.26W/（m•K）。通過(guò)對(duì)該氣凝膠玻璃進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，年耗能量相比傳統(tǒng)中空玻璃可降低約10%。2.2氣凝膠保溫氈。/板氣凝膠材料由于其強(qiáng)度低、脆性大，限制了其使用范圍。氣凝膠保溫板/氈是將氣凝膠與有機(jī)聚合物、纖維增強(qiáng)材料等進(jìn)行復(fù)合，制備得到的剛性/柔性保溫材料，見(jiàn)圖3。陳雁濤[9]采用聚偏氟乙烯（PVDF）制得微米顆粒、微納米纖維和微米顆粒/微納米纖維作為氣凝膠的增強(qiáng)劑，制備出不同結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料，即氣凝膠柔性保溫氈。使用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)得微納米纖維/氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)更低，這主要是因?yàn)镻VDF纖維之間互相搭接，形成彎曲復(fù)雜的狹窄通道，阻隔了熱量的傳遞，加入更少量的纖維即可得到具有較好機(jī)械性能的氣凝膠氈，用作建筑外墻保溫材料，可實(shí)現(xiàn)較好的建筑節(jié)能效果。趙誠(chéng)斌[10]采用懸浮聚合的生產(chǎn)工藝，將SiO2氣凝膠顆粒加入聚苯乙烯顆粒的成型過(guò)程中，制得氣凝膠改性的聚苯乙烯保溫板（EPS板）。測(cè)試結(jié)果顯示，隨著氣凝膠加入量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢(shì)，當(dāng)氣凝膠加入量為1.6%～2.0%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)由純聚苯乙烯板的0.043W/（m•K）降為0.0248W/（m•K），SiO2氣凝膠分布于聚苯乙烯泡的孔壁上，有效阻隔了熱量的傳遞，同時(shí)其燃燒性能得到了改善，提高了保溫板的燃燒性能等級(jí)。2.3氣凝膠真空絕熱板。氣凝膠真空絕熱板是采用納米孔超級(jí)絕熱材料（納米氣凝膠、納米氣相SiO2）作為芯材，加入吸氣劑，采用膜材包裹而成。芯材的作用是為了保證絕熱板的強(qiáng)度，膜材是為了保證其內(nèi)部的真空度，吸氣劑是為了吸除真空封裝時(shí)混入的氣體以及長(zhǎng)期使用滲入的氣體[11]。氣凝膠真空絕熱板之所以具有優(yōu)異的保溫隔熱性能，是由于其在真空絕熱的基礎(chǔ)上采用低導(dǎo)熱系數(shù)芯材以降低固體熱傳導(dǎo)，同時(shí)用干燥劑和吸氣劑吸附芯材中的氣體和水汽來(lái)降低氣體的熱傳導(dǎo)，高性能膜材也可起到降低熱輻射作用，進(jìn)而完成高效保溫節(jié)能的要求。與傳統(tǒng)保溫材料（EPS板、巖棉等）相比，達(dá)到相同傳熱系數(shù)情況下，其厚度僅為傳統(tǒng)保溫材料厚度的1/4～1/6。2.4氣凝膠砂漿和混凝土。傳統(tǒng)的砂漿和混凝土密度大、導(dǎo)熱系數(shù)較大，很難滿足高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能建筑保溫要求。將超低導(dǎo)熱系數(shù)的氣凝膠材料加入傳統(tǒng)的砂漿和混凝土中，可很大程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)砂漿和混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較大的缺陷。彭羅文等[12]針對(duì)SiO2氣凝膠和�；�微珠的添加順序?qū)Ρ�溫砂漿性能的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，先將SiO2氣凝膠與漿料混合均勻后再加入�；�微珠制得的保溫砂漿干密度為238kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.071W/（m•K），這主要是受SiO2氣凝膠和�；�微珠對(duì)保溫砂漿的稠度影響。李朋威等[13]以超級(jí)隔熱氣凝膠為填料，使用預(yù)制泡沫混合法制備了新型氣凝膠泡沫混凝土，并對(duì)其物理性能和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，氣凝膠泡沫混凝土的密度和導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低，在相同密度等級(jí)下抗壓強(qiáng)度高于普通泡沫混凝土。當(dāng)氣凝膠添加量為13.0kg/m3，泡沫加入量為70vol%時(shí)，氣凝膠泡沫混凝土的密度為270.2kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.069W/（m•K）。付平等[14]對(duì)氣凝膠含量對(duì)泡沫混凝土孔徑的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，隨著氣凝膠體積含量增大，泡沫混凝土內(nèi)＜100μm的小孔含量減少，而＞300μm的中孔和大孔含量增加，當(dāng)氣凝膠體積含量為20%時(shí)，小孔的氣孔百分比從72.5%降至61.8%，中孔和大孔的氣孔百分比從3.4%升至9.8%，雖然平均孔徑增加，但孔隙率卻逐漸降低。2.5氣凝膠混凝土復(fù)合墻體材料氣凝膠混凝土復(fù)合墻體是以經(jīng)氣凝膠填充改性的輕質(zhì)骨料作為骨料制備的輕質(zhì)保溫墻體材料。王亮等[15]將氣凝膠填充至膨脹珍珠巖內(nèi)部，制備一種新型保溫材料———氣凝膠膨脹珍珠巖，并將其作為輕骨料，通過(guò)試驗(yàn)分析對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，制得導(dǎo)熱系數(shù)低至0.062W/（m•K），抗壓強(qiáng)度為4.39MPa的隔墻板。

氣凝膠材料因其獨(dú)特的多孔網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，擁有優(yōu)異的防火性能和保溫隔熱性能，但由于其力學(xué)性能較差限制了氣凝膠的適用范圍。對(duì)氣凝膠材料進(jìn)行復(fù)合改性研究，可提高材料的綜合性能，取得更好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。隨著我國(guó)對(duì)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，對(duì)氣凝膠材料的研究和應(yīng)用也在不斷深入，研發(fā)以氣凝膠為原料的復(fù)合材料將成為今后建筑節(jié)能的重要發(fā)展方向。