氣凝膠應用于墻體保溫材料的研究進展

趙建偉 尚陽 崔杰

1 引言

隨著我國社會經濟的快速發展，能源消耗問題越發凸顯，這與我國可持續發展戰略不符。其中，建筑能耗是社會總能耗的重要組成部分之一，其占比達到46.5%以上。此外，我國建筑節能設計標準要求正在逐年提高，部分地區已開始執行《居住建筑節能設計標準（節能75%）》標準。2020年，習近平總書記提出“中國二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現‘碳中和”。為實現這一目標，占全國碳排放比重50%以上的建筑行業，急需開發出新型高效節能建筑材料，而新型墻體保溫材料的研究和開發是降低建筑能耗的有效途徑。

目前，傳統的建筑墻體保溫材料主要分為無機材料和有機材料2大類，常用的有機絕熱材料有聚苯乙烯泡沫（EPS）、擠塑聚苯乙烯板（XPS）、酚醛板（PF）、硬泡聚氨酯板（PU）等材料，存在防火性能差，難以達到A級防火，燃燒易產生毒氣的安全問題[1—3]。常用無機絕熱材料有玻璃纖維、礦物棉、膨脹珍珠巖等，可防火阻燃，但存在防水性能差、自重高、導熱系數高等問題[4]。因此研發兼具防火、保溫、輕質等性能的新型高效節能墻體保溫材料至關重要。

氣凝膠是一種特殊的納米級三維網絡結構固體材料，以空氣為介質，具有納米級孔洞，高孔隙率（80%～99.8%），低至3kg/m3的密度，高絕熱能力〔導熱系數為0.005W/（m·K），室溫〕，低折射率和低介電常數等特點[5]。優異的特性使之在很多領域具有極大的應用潛力，例如建筑節能、航空航天、爐窯保溫、能源、輸油管道、環保、太陽能集熱等領域[6]。近年來，二氧化硅（S i O2）氣凝膠常壓干燥工業化生產工藝不斷成熟，產業化規模不斷擴大，工業化制備的氣凝膠性能不斷提升，已涌現出氣凝膠粉體、氈、涂料、玻璃等產品，為氣凝膠在建筑節能領域的應用提供了可能性。因此，性能優異的氣凝膠得到了相關研究人員的青睞，同時也推動了氣凝膠在建筑節能領域應用的深入研究。

2 氣凝膠墻體保溫材料研究進展

2.1 氣凝膠保溫砂漿

傳統保溫砂漿存在密度大、保溫性能差的缺點，雖采用玻化微珠、膨脹珍珠巖等輕骨料作為保溫材料，但砂漿整體保溫效果不佳，導熱系數偏高[7]，將超低密度、導熱系數的氣凝膠與其他輕骨料結合使用，開發質輕、保溫效果好的砂漿成為新的研究熱點。

Kim等[8]按水泥質量的2%添加氣凝膠時，結果表明，砂漿導熱系數降低幅度高達75%，但力學性能損失嚴重，或與氣凝膠機械性能差的特性有關。

研究表明，將氣凝膠作為輕骨料單獨添加，絕熱能力有所提升，但會導致保溫砂漿的力學性能嚴重損失。

封金財等[9]將硅氣凝膠與玻化微珠按不同體積比混合形成骨料，添加到水泥、粉煤灰、可再分散乳膠粉、聚丙烯纖維和甲基纖維素醚等材料混合形成的漿體中，發現當氣凝膠與玻化微珠以體積比為35%∶65%混合形成骨料，當摻量占保溫砂漿總體積比為60%時，保溫砂漿的保溫性能和物理力學性能達到最優，表明氣凝膠取代部分玻化微珠，能夠提升砂漿的保溫性能，同時滿足力學性能要求。彭羅文等人[10]對SiO2氣凝膠/玻化微珠保溫砂漿性能影響因素進行了研究，其中當氣凝膠與玻化微珠的體積比增大時，保溫砂漿的導熱系數呈下降趨勢，與氣凝膠具有超低導熱系數的性能一致。

韓金光等[11]采用真空吸入法使液溶膠吸入膨脹珍珠巖，經老化、疏水改性、常壓干燥后，得到氣凝膠改性珍珠巖骨料，制出砂漿的抗壓強度和吸水率明顯優于珍珠巖砂漿，導熱系數優于玻化微珠保溫砂漿。梅陽等人[12]將溶膠真空吸附到膨脹珍珠巖的內部孔隙中，經凝膠老化、疏水改性和常壓干燥制備出膨脹珍珠巖/SiO2氣凝膠復合保溫材料。經測試，膨脹珍珠巖/SiO2氣凝膠（TEOS為硅源）復合材料導熱系數為0.038W/（m·K），降低了24%，膨脹珍珠巖/SiO2氣凝膠（混合硅源）復合材料導熱系數為0.036W/（m·K），降低了28%。

由于氣凝膠密度小、疏水性強，在氣凝膠添加過程中會出現飛粉及相容性差的問題，因此，有研究人員通過氣凝膠改性的方式解決該問題。劉朝輝等人[13]利用硅烷偶聯劑KH550改性SiO2氣凝膠，增加與無機膠凝材料的相容性，采用等體積法替換砂漿中的沙，制備SiO2氣凝膠砂漿，導熱系數從0.6039W/（m·K）降至0.2248W/（m·K）。

經研究，表明將氣凝膠與其它保溫砂漿骨料進行復合，在滿足力學性能基礎上，可降低傳統保溫砂漿的導熱系數和密度。

2.2 氣凝膠復合保溫板/氈

孫智等[14]分別以新型氣凝膠隔熱材料（SiO2氣凝膠/玻璃纖維復合氈）與4種常用隔熱材料（如模塑聚苯板、擠塑聚苯板、聚氨酯泡沫板、玻璃纖維氈等）為保溫層，采用小尺寸測試盒。結果表明，氣凝膠絕熱板對溫度波的延遲和隔熱性能均明顯優于傳統隔熱材料。

鐘支葵等[15]進行了硅酸鋁纖維氣凝膠復合材料對鋼結構的防火性能研究，使用硅酸鋁纖維氣凝膠復合材料，進行了1h鋼結構防火保護測試，3mm、6mm和12mm厚的防火保護材料對應的鋼板側溫度分別為121.6℃、96.2℃和78.2℃，遠低于鋼板軟化溫度（550℃），表明硅酸鋁纖維氣凝膠復合材料對鋼結構具有良好的防火性能。

趙誠斌等[16]采用懸浮聚合法，在制備聚苯乙烯顆粒的過程中，添加SiO2氣凝膠，合成核殼結構的SiO2氣凝膠與聚苯乙烯復合可發性珠粒，形成氣凝膠/聚苯乙烯復合板材。結果表明導熱系數降低，氣凝膠添加量為1.6%～2.0%時，導熱系數由純聚苯乙烯板的0.043W/（m·K）降為0.0248W/（m·K），并提升了保溫板阻燃性能。

杜柯等[17]以蜂窩結構聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）板為支撐結構，在不同孔隙率的蜂窩板中添加氣凝膠，制備出氣凝膠蜂窩保溫絕熱板。經測試，導熱系數比未添加氣凝膠的XPS板降低19.6%～27.6%，提升了傳統XPS板保溫效果。

經研究表明，利用氣凝膠制備復合板材，能夠有效降低導熱系數，同時提升防火性能。

2.3 氣凝膠真空絕熱板

氣凝膠真空絕熱板（HVIP）是采用納米孔超級絕熱材料（納米氣凝膠、納米氣相二氧化硅）作為芯材，產品導熱系數標準要求為達到0.006W/（m·K）以下，達到了普通XPS板的7倍左右，擁有十分突出絕熱性能[18]。

梁玉瑩等[19，20]采用常壓干燥和抽真空工藝制備了氣凝膠復合材料真空絕熱板，基于理論計算模型，研究了氣凝膠密度、纖維含量與熱導率之間的關系，氣凝膠復合材料真空絕熱板導熱系數可低至0.0035W/（m·K）。同時，由于真空絕熱板在建筑應用過程中內部氣體壓力和水蒸氣含量增加，導致隔熱性能降低，使用壽命縮短，僅為5～25年，基于理論計算模型，繼續開展了氣凝膠密度、纖維含量對熱導率、隔熱厚度和使用壽命的影響規律的研究，預測獲得了滿足建筑用真空絕熱板的氣凝膠密度和纖維含量的范圍，能夠達到滿足使用壽命大于50年的目標。

2.4 氣凝膠泡沫混凝土

泡沫混凝土是一種多孔輕質混凝土，通過一定的工藝將水泥、礦物摻合料、外加劑、發泡劑和穩泡劑按配比制備而成[21]，具有防火阻燃、輕質、保溫效果好、吸音降噪、抗震等優點[22，23]，但存在導熱系數過大，低密度低導熱率時成型易塌陷等問題。針對泡沫混凝土存在的問題，有科研人員已經利用氣凝膠優異的特性，開展了氣凝膠發泡混凝土的研究工作，在滿足發泡混凝土相關標準要求的基礎上，希望進一步提升保溫隔熱效果。

劉朋等[24]通過設計正交試驗，研究了發泡劑、SiO2氣凝膠、纖維摻量及水膠比等4因素對泡沫混凝土的性能影響，制備氣凝膠發泡混凝土，干密度為673.12kg/m3、導熱系數為0.162W/（m·K）、抗壓強度為4.12MPa，能夠滿足相關標準設計指標要求。

趙同義等[25]通過控制SiO2氣凝膠摻量進行了氣凝膠泡沫混凝土的研究。結果表明，SiO2氣凝膠的摻入能夠降低泡沫混凝土的體積密度和導熱系數，明顯提升泡沫混凝土的熱工性能。

付平等[26]研究制備了一種新型超輕質纖維/氣凝膠泡沫混凝土，以玻璃纖維為增強體，提升了整體成型性能，在制備工藝中起到了關鍵作用。研究表明，與普通泡沫混凝土相比，導熱系數從0.08～0.25W/（m·K）降至0.058W/（m·K），密度從300～1600kg/m3降至205kg/m3，性能顯著提升。同時，抗壓強度滿足泡沫混凝土標準要求。

李朋威等[27]成功地制備了一種具有多級孔結構的新型氣凝膠泡沫混凝土，經測試，密度最小可達198 kg/m3，導熱系數最小可達0.049W/（m·K），并且滿足標準要求的力學強度，遠低于普通泡沫混凝土的密度和導熱系數。

研究表明，經氣凝膠復合制備的氣凝膠發泡混凝土可以明顯降低輕質泡沫混凝土密度和導熱系數，同時滿足力學強度的標準要求，能夠解決低密度低導熱系數時成型易塌陷的問題。

3 結語

氣凝膠應用于建筑墻體保溫材料的主要形式包括氣凝膠保溫砂漿、氣凝膠絕熱板/氈、氣凝膠真空絕熱板、氣凝膠泡沫混凝土等，由于氣凝膠具有防火、防水、輕質、吸音、隔熱等一系列優異的性能，是適用于高效節能建筑的理想材料。研究表明，應用于建筑墻體保溫材料，能夠有效提升保溫隔熱能力，降低密度，改善防火能力。但氣凝膠存在力學性能差的缺陷，單獨使用存在困難，因此，不能完全替代傳統保溫材料，多采用與傳統保溫材料復合的方式，開發出新型墻體保溫材料，以滿足力學性能的要求。

在建筑節能迫切發展的需求下，采取一定的工藝，將氣凝膠與傳統墻體保溫材料復合，研究開發應用于建筑墻體的氣凝膠復合保溫材料將是未來建筑節能發展的重要方向。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.011

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