氣凝膠復(fù)合制品在建筑領(lǐng)域應(yīng)用可行性分析

劉穎卓 周俊鈞 李玉良 隋承鑫

（中國建材檢驗認(rèn)證集團股份有限公司，北京 100024）

0 引言

在建筑領(lǐng)域，保溫材料種類繁多，主要分為兩大類：無機棉類保溫材料和有機高分子類保溫材料。無機棉類保溫材料具有優(yōu)異的防火及耐高溫性能，但吸水能力強且吸水后產(chǎn)品本身保溫效果變差；有機高分子保溫材料具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率低等特點，曾經(jīng)在建筑保溫材料市場中占據(jù)主流地位，但隨著國家對產(chǎn)品防火性能要求的提高，很大程度上限制了其在國內(nèi)建筑中的應(yīng)用。氣凝膠復(fù)合制品因其優(yōu)異的保溫性能、防火性能和高溫穩(wěn)定性等，同時滿足了建筑領(lǐng)域?qū)Ρ夭牧系谋丶胺阑鹨?，已成為建筑保溫領(lǐng)域中備受關(guān)注的新型材料。

氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚集構(gòu)成的具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散固態(tài)材料，其固體相和孔隙結(jié)構(gòu)均為納米尺度[1-2]。氣凝膠被譽為世界上密度最小的固體之一，密度為3.0kg/m3，僅為空氣密度的2.75倍，被稱為“凍結(jié)的煙”。正是由于其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出“蜂窩狀”的多孔形貌，使其具有比表面積大、孔隙率高、密度低、熱導(dǎo)率低等特點。氣凝膠的合成過程一般要經(jīng)過溶膠-凝膠聚合和超臨界干燥兩個過程[3-4]，其中溶膠-凝膠工藝的實現(xiàn)一般有三種方法，1）膠體粉末溶膠的凝膠化；2）醇鹽或硝酸鹽前驅(qū)體經(jīng)水解和縮聚形成凝膠；3）在溶液中聚合物單體聚合或幾種聚合物單體共聚形成凝膠。

氣凝膠雖然質(zhì)輕、孔隙率高、熱導(dǎo)率低，但由于強度低、脆性大等缺點限制了其在建筑外墻保溫領(lǐng)域的推廣[5]，因此，氣凝膠在建筑保溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用主要是將其與無機纖維等復(fù)合，不僅保留了氣凝膠本身的優(yōu)異特性，還彌補了機械性能差等缺陷，使其制品在工程中得到廣泛應(yīng)用。目前，氣凝膠復(fù)合制品在熱力工程應(yīng)用較多，以SiO2氣凝膠復(fù)合制品為主。本文將主要探究氣凝膠復(fù)合制品在絕熱、防火和耐高溫等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，闡明其在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

1 氣凝膠復(fù)合制品特性研究

氣凝膠復(fù)合制品保留了氣凝膠優(yōu)異的保溫、防火和高溫穩(wěn)定性等特性，在建筑領(lǐng)域可作為絕好的隔熱保溫、防火材料被廣泛應(yīng)用。以下將從隔熱性能、防火性能和耐高溫穩(wěn)定性能方面與常規(guī)保溫材料進行對比，表明氣凝膠復(fù)合制品在建筑保溫領(lǐng)域應(yīng)用中具有巨大的優(yōu)勢。

1.1 隔熱性能

在建筑領(lǐng)域中，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)大小是衡量材料隔熱性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。在常規(guī)的保溫材料中，玻璃棉、巖棉、硅酸鋁棉等無機棉類材料常溫下導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.036～0.050W/（m·K)范圍內(nèi)，聚苯板、擠塑板、聚氨酯等有機保溫材料常溫導(dǎo)熱系數(shù)在0.021～0.041W/（m·K)范圍內(nèi)，而氣凝膠復(fù)合制品在常溫下導(dǎo)熱系數(shù)通常會低于0.023W/（m·K)，甚至較好產(chǎn)品會低于0.017W/（m·K)，這是傳統(tǒng)保溫材料所不能達到的。其主要原理是材料本身特殊的納米三維孔隙結(jié)構(gòu)：1）具有的高孔隙率、低導(dǎo)熱系數(shù)等特性，可以極大地抑制熱傳導(dǎo)；2）50-60納米的氣凝膠孔隙使得空氣分子無法自由流動，對流傳熱將會受到很大程度的抑制；3）1毫米厚的氣凝膠材料就含有上萬層的孔壁，而這些孔壁均可視為輻射的反射面和折射面，這種結(jié)構(gòu)最大限度地抑制了熱量傳遞（熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射），使得其導(dǎo)熱系數(shù)很低。

表1 不同氣凝膠復(fù)合制品的導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)國標(biāo)GB/T 34336-2017《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》，對6 組氣凝膠復(fù)合制品進行25℃條件下導(dǎo)熱系數(shù)的測定，測試結(jié)果如表1所示，導(dǎo)熱系數(shù)均低于0.023W/（m·K)。

研究表明，隨著溫度的升高，氣凝膠復(fù)合制品優(yōu)異的隔熱性能更加突顯[6]。為更好地說明氣凝膠的隔熱性能，我們進行了不同材料導(dǎo)熱系數(shù)對比，包括硅酸鋁棉、巖棉、玻璃棉、酚醛、聚氨酯、擠塑板、模塑板，圖1中是氣凝膠制品與常規(guī)保溫材料在溫度范圍0-600℃之間選擇10個溫度點進行導(dǎo)熱系數(shù)測量，分別是0℃、25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、300℃、400℃、500℃和600℃（測試溫度不超過材料使用溫度上限）。

圖1 各種保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

通過圖1中可以看出，常溫時，氣凝膠復(fù)合制品導(dǎo)熱系數(shù)低于常規(guī)保溫材料，且隨著溫度的升高，其導(dǎo)熱系數(shù)的增長遠低于其他材料，即在越高溫度條件下，氣凝膠復(fù)合材料的保溫優(yōu)勢越明顯。氣凝膠復(fù)合制品若應(yīng)用于建筑外墻保溫、屋面保溫或者被動房中，能夠有效避免建筑空間內(nèi)外熱量流失，而且還可以減少保溫層厚度和鋪設(shè)面積，降低了工程成本；直接解決了由于保溫層厚度大而造成的空鼓開裂、脫落等風(fēng)險。

1.2 燃燒性能

隨著我國建筑節(jié)能強制措施逐步推行，建筑外墻保溫技術(shù)在建筑中被大量采用，但應(yīng)用的重要條件是其防火安全性。在建筑保溫材料應(yīng)用中，保溫材料的燃燒性能是備受關(guān)注的。在火災(zāi)發(fā)生時，燃燒性能不佳的外保溫材料對火災(zāi)的垂直方向蔓延有很強的促進作用，所以為了降低火災(zāi)風(fēng)險，必須對保溫材料的燃燒性能提出嚴(yán)格要求。氣凝膠復(fù)合制品不僅有良好的保溫性能，而且還具有優(yōu)異的防火性能。由于氣凝膠復(fù)合制品是通過溶膠凝膠法，將增強材料與溶膠復(fù)合，然后用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成，用于復(fù)合的增強材料通常是無機纖維材質(zhì)，再加上氣凝膠本身防火性能優(yōu)異，因此氣凝膠復(fù)合制品防火性能表現(xiàn)優(yōu)異。

表2 不同氣凝膠復(fù)合制品的燃燒性能

表2是對6組氣凝膠復(fù)合制品按照GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》進行燃燒性能測試的結(jié)果，2組氣凝膠復(fù)合制品燃燒性能達到B1級難燃制品，4組為A級不燃制品。

1.3 高溫穩(wěn)定性

氣凝膠復(fù)合制品除具有良好的絕熱性能、防火性能外，還可在高溫環(huán)境下具有持久的穩(wěn)定性，幾乎不發(fā)生體積收縮、熔融、燒結(jié)、降解等現(xiàn)象。氣凝膠復(fù)合制品在高溫下導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)優(yōu)秀，且經(jīng)高溫試驗處理后的樣品的常溫導(dǎo)熱系數(shù)與未經(jīng)高溫處理的樣品導(dǎo)熱系數(shù)試驗結(jié)果相比變化較小。試驗結(jié)果表明，在低于600℃環(huán)境中，氣凝膠復(fù)合制品的線性收縮率極小，幾乎可以忽略，而且氣凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中不會發(fā)生變化，仍為非定型結(jié)構(gòu)[7]，說明氣凝膠復(fù)合制品的耐高溫穩(wěn)定性能相比于常規(guī)保溫材料是非常優(yōu)異的。

1.4 其他特性

氣凝膠是一種質(zhì)量超輕、密度極小的固體材料，即使與其他無機纖維材料復(fù)合成為氣凝膠復(fù)合材料后，在實際應(yīng)用中，樣品厚度較小，所以總體質(zhì)量依然輕于同等滿足節(jié)能要求的其他無機產(chǎn)品，可以避免由于過重而造成的脫落等危險。

另外，在氣凝膠復(fù)合制品制備過程中通常會加入適量的憎水劑進行改性，改性后氣凝膠復(fù)合制品的憎水性能是非常優(yōu)異的，使用效果優(yōu)于其他無機保溫材料。

2 結(jié)語

在世界能源日益匱乏的背景下，我國對社會節(jié)能減排越來越重視，尤其是在建筑領(lǐng)域，不管是常規(guī)的建筑保溫材料還是新型的保溫材料都要求達到節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)。氣凝膠復(fù)合制品雖然生產(chǎn)成本相對較高，但其在隔熱保溫、防火和耐高溫穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，能夠很好地適應(yīng)國家的節(jié)能減排政策，能夠在未來在建筑領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用。只要行業(yè)不斷創(chuàng)新和改進氣凝膠復(fù)合制品生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，氣凝膠復(fù)合絕熱制品最終會在未來建筑保溫領(lǐng)域中占有重要一席。