氣凝膠絕熱材料，助你走向綠色節能工業

張秋華 衛榮輝 謝偉軍 劉平 (廣東埃力生高新科技有限公司 513044)

氣凝膠材料孕育于20世紀30年代，作為一種保溫隔熱材料，性能優越，但由于制備工藝極其復雜，且技術含量相對較高，故應用領域廣泛，包括航天航空領域、軍工領域、醫藥載體領域等。伴隨著科學技術的不斷發展，對氣凝膠材料研究得到了進一步的深入與擴展，氣凝膠材料逐漸在工業管道保溫、設備保溫等領域得到了應用。在現階段，建筑能耗作為社會總能耗的關鍵指標，建筑節能已經成為當前諸多研究學者的關鍵課題。目前，國內市場應用的常見墻體保溫形式為外墻外保溫，由于外墻外保溫材料防火性能差，與現階段防火等級要求不符，故創建保溫性能好、防火等級高的替代材料已成為了外墻外保溫行業發展的關鍵態勢。而氣凝膠材料保溫隔熱性能優越，且防火性能頗佳，屬于理想替代品，應用前景廣闊。

一、氣凝膠絕熱材料導熱性能、低傳導熱機理概述

1.導熱性能分析

氣凝膠屬于一種固體材料，主要由超微粒子構成，包括碳氣凝膠、Si O2氣凝膠等。氣凝膠材料粒徑小、密度低、比表面積高、氣孔率高，其微觀網絡骨架歸入納米范疇。1931年，K i s t l e r應用超臨界干燥方法并擇取水玻璃為材料制備了Si O2氣凝膠。一般而言，在氣凝膠中，氣孔尺寸為納米級，由于孔隙率與比表面積高等，促使其導熱系數在0.02 W/(m·K)以下。由于其保溫隔熱性能優越，故得到研究者廣泛重視。

2.低傳導熱機理

在介質中，熱量擴散方式主要包括三種：一是熱傳導。氣凝膠密度小、孔隙率高，導致在材料內部熱量傳播路徑拖長，熱量傳播效率下降，固態熱傳導率低下；二是對流傳熱。由于氣凝膠膠體顆粒尺寸小，空氣分子自由程低，導致氣凝膠材料內部沒有允許空氣分子的活動空間，對流熱傳導率低下；三是輻射傳熱。氣凝膠熱輻射為紅外熱輻射，紅外線波長為14μm左右，可對沖紅外光輻射，加上多孔網絡結構阻滯熱輻射，故對熱輻射具有高遮擋效率，輻射熱導率低。

二、氣凝膠絕熱材料制備分析

針對氣凝膠絕熱材料制備而言，主要體現在三個方面：1.氣凝膠制備工藝化學過程。溶膠-凝膠工藝作為當前氣凝膠制備應用最廣泛一種工藝手段，主要包括兩個過程：一是溶膠-凝膠過程，二是醇凝膠干燥工藝。在溶膠凝膠過程中，產生水解反應與縮聚反應。前驅體材料易發生水解，形成Si(OH)4基團，并與Si(OH)4基團間產生縮聚反應，構成網狀凝膠。在此過程中，水解反應與縮聚反應同步開展，其相對速率與所構成材料的密度、結構、凝膠顆粒形態密切相關；2.氣凝膠材料干燥技術。氣凝膠干燥作為制備過程中的重要技術，最終構成的氣凝膠材料網狀結構完整度與氣凝膠材料性能息息相關。前驅體通過水解與縮聚反應構成網絡結構體后排除液相溶劑，最終獲取固相氣凝膠材料。在排除過程中，溶劑基于氣凝膠微結構作用下構成毛細管力，經干燥后毛細管力易破壞凝膠網絡結構，難以獲取塊體材料。由此可見，要想氣凝膠材料性能優良，于干燥過程中，要促使毛細管力低于網絡結構強度，確保網絡結構完整。目前，氣凝膠材料制備應用的前驅體主要包括水玻璃、硅酸甲酯、正硅酸乙酯；3.氣凝膠材料性能改善研究。我國在納米孔超級絕熱材料方面的研究尚處于探索階段。Si O2氣凝膠在工業領域大規模應用存在瓶頸障礙，其生產制造工藝技術要求高，而原材料價格昂貴，強度低，單獨應用難以實現。諸多學者研究發現，纖維可制備Si O2氣凝膠復合材料，能改善其性能。

三、氣凝膠絕熱材料在工業節能領域的應用前景

在現階段，國內上市的氣凝膠材料主要包括六種：一是氣凝膠絕熱氈，二是氣凝膠絕熱板，三是氣凝膠粉體，四是氣凝膠顆粒，五是絕熱筒體異形件，六是絕熱采光板。此類氣凝膠產品在工業管道、太陽能集熱器、設備節能保溫、冶金、航空航天、軍工等領域應用廣泛。而在建筑節能領域應用，目前氣凝膠節能門窗氣凝膠材料應用方向最廣。目前，國外氣凝膠節能門窗研究主要以顆粒狀氣凝膠與整塊氣凝膠制作為導向，研究二氧化硅氣凝膠透光隔熱玻璃門窗與夾層節能玻璃。目前，國內外研究重點主要是利用氣凝膠制備新型絕熱板材，夾芯層屬于氣凝膠材料，同時采用以氣凝膠材料為導向的復合材料替代顆粒、塊體或粉體材料，且以氣凝膠粉體、顆粒為導向生產復合材料替代板材夾芯層。美國目前設計了一種氣凝膠新型板材，透光率達19%左右，傳熱系數為0.049 W/(m2·K)左右。此種板材以納米凝膠材料為內核材料，兩側結合輔助材料制成復合夾芯板，應用于天窗系統上保溫隔熱效果頗佳。

結束語

綜上所述，氣凝膠材料結構獨特，保溫隔熱性能、防火性能優越，可替代現有有機保溫板、陶粒、無機玻化微珠、聚苯顆粒、陶砂等材料，能顯著改善保溫涂料性能，在墻體保溫領域應用前景廣闊，同時在軍工、航天航空、醫藥載體等領域也具有重要的應用前景，已成為研究者們今后探究的重要課題。

[1]楊麗修.氣凝膠超級絕熱材料的快速制備及其建筑節能應用研究[D].廣州大學,2013.

[2]畢偉濤.常壓干燥制備低密度、高性能介孔硅氣凝膠的研究[D].長安大學,2010.

[3]郭金濤.硅氣凝膠/玻化微珠復合保溫砂漿研究[D].長安大學,2011.

[4]董雪.納米多孔絕熱材料及納米磁性材料的合成與表征[D].吉林大學,2013.

[5]宋杰光,劉勇華,陳林燕,黃浩,越祖朕,蘇明霞.國內外絕熱保溫材料的研究現狀分析及發展趨勢[J].材料導報,2010（S1）：378-380.