新型復合建筑材料SiO2氣凝膠在土木工程應用探析*

張 莉，劉潔玲

（陜西能源職業技術學院 建筑與測繪工程學院，陜西 咸陽 712000）

近年來，全球整體能源消耗不斷增長的趨勢影響著建筑材料的發展方向。據統計，2016年全球建筑耗能約占全球總能源消耗的30%，并排放了占比28%的CO2排放量[1,2]。建筑物外墻（比如：地板，屋頂和墻壁等材料）的熱性能是控制建筑能耗的主要因素，所以減少建筑能耗的常見策略是在墻壁和屋頂中加入隔熱材料[3,4]。這一舉措在現階段是通過減輕外部熱量損失從而達到節能減耗的最有效方法之一。保溫材料除了需要擁有極低的導熱率特性外，場地適應性、機械強度、透明度、耐久性、回彈性、防火性、環境危害性以及經濟性等其他材質特性對于評估絕緣材料是否適用于建筑保溫材料也是至關重要的[5,6]。近年來，真空隔熱板、低輻射率的玻璃隔熱薄膜、多孔結構的泡沫珍珠巖保溫材料和氣凝膠保溫材料等幾種新型的超絕熱材料由于其高保溫性能被廣泛應用于建筑保溫材料中[7,8]。其中氣凝膠保溫材料用途最為廣泛，氣凝膠不僅在建筑物外墻材料、保溫材料中用作氣凝膠玻璃和氣凝膠絕熱氈，也可以用于建筑結構材料中的支撐材料[9,10]。

盡管氣凝膠可能具有多種成分，但SiO2氣凝膠由于其具有熱超絕熱功能，易于生產和高成本效益等特性受到科研工作人員的青睞[11]。SiO2氣凝膠是1930年代由塞繆爾·斯蒂芬·基斯特勒首次生產的，SiO2氣凝膠由一條珍珠項鏈狀的SiO2連接鏈的內部結構組成。該結構具有大量的空氣填充孔（孔隙率通常在90%以上），大部分在中孔范圍內。這種大而細的孔隙率可確保其具有非常高的比表面積（500～1200m2·g-1）、低密度（0.0～0.3g·cm-3）、超絕熱性能（0.012～0.025W·（m·K）-1）、超低介電常數（k=1.0～2.0）和低折射率（～1.05）等特性[12]。由于其非凡的性能，特別是低導熱性和光學透明性，使SiO2氣凝膠在建筑物材料中應用廣泛，尤其是用于節能減耗。

本文介紹了SiO2氣凝膠的制備及改進方法，并調研了各科研工作人員于近年來所開發及應用的含SiO2氣凝膠的建筑材料，總結了其用于在建筑領域的未來發展趨勢和現階段的挑戰，以期為SiO2氣凝膠用作建筑材料的發展提供參考資料。

1 SiO2氣凝膠保溫材料的制備與結構強化

SiO2氣凝膠是一種以硅氧原子為骨架的納米材料，是全世界已知的最輕的固體材料。由于其獨特的三維網絡結構，使得氣凝膠具有高比表面積、低表觀密度以及極低的導熱系數等獨特性質，在熱學、光學及其他領域都有廣闊的應用。

1.1 SiO2氣凝膠的制備

傳統的制備SiO2氣凝膠的方法是以正硅酸乙酯為硅源，通過超臨界干燥技術對凝膠進行干燥制備SiO2氣凝膠，但該制備方法相對復雜，對實驗設備要求極高，并且正硅酸乙酯是一種有毒物質，不利于實驗操作。使用水玻璃作為硅源，常壓干燥法制備SiO2氣凝膠，由于其操作簡便，經濟環保，有利于氣凝膠的工業化生產，成為當前氣凝膠研究的熱點。SiO2氣凝膠的低成本常壓干燥制備技術制備流程見圖1[13]。

圖1 SiO2氣凝膠的低成本常壓干燥制備技術流程Fig.1 Preparation process of low-cost atmospheric drying technology for silica aerogel

1.2 SiO2氣凝膠的結構強化

天然SiO2氣凝膠的主要缺點是其固有的脆性，這大大限制了它的實際應用。因此，相關科研工作者對使用不同材料復合補強天然SiO2氣凝膠的力學特性做出了許多研究。表1列出了現階段用于補強SiO2氣凝膠研究方向、主要材料及對應的優缺點。

表1 SiO2氣凝膠力學特性補強方向總結Tab.1 Summary of reinforcement direction of mechanical properties of silica aerogel

由表1可見，現階段用于補強SiO2氣凝膠研究方向主要包含納米材料復合法、表面衍生法、原位聚合法、共硅前驅體法和纖維復合等方法。其中納米材料復合法[14]即是將納米結構結合到SiO2結構網絡中。如將碳納米管復合到SiO2氣凝膠材料中可以顯著改善其機械性能，而相較于普通的硅基氣凝膠，其密度和疏密度不受影響。表面衍生法[15]則是通過在SiO2氣凝膠材料的表面基團添加六甲基二硅氧烷凝膠、甲苯二異氰酸酯等改性劑提高其力學穩定性和透明單，該方法的顯著特點是不會改變內部SiO2顆粒和結構。原位聚合法[16]即是在SiO2氣凝膠材料中添加聚苯乙烯、聚丙烯酸丁酯等聚合物基團，通過添加聚合物來提高SiO2氣凝膠的機械抗力，同時保持較低的密度和導熱系數。共硅前驅體法[17]即是使用一種初始混合物中具有非可水解基團的有機硅烷，例如MTMS中的甲基或TMSPM中的甲基丙烯酸丙酯，使得在合成的起始階段即可得到整體鍵能較低且疏水性良好的柔性氣凝膠。纖維復合法[18]也是一種常用于解決SiO2氣凝膠材料脆弱性的方法。如纖維-CO2氣凝膠復合材料可以在保持材料的低密度和高比表面積的條件下提高材料整體的機械性能，但這種材料在高溫條件下穩定性較差。總而言之，各種復合方法均各有優點，需根據不同的使用場景選擇材料結構槍法方法。

2 SiO2氣凝膠建筑材料的應用

SiO2氣凝膠由于其具有熱超絕熱功能，易于生產和高成本效益等特性而受到科研工作人員的青睞，在建筑材料的應用也較為廣泛，如玻璃面板、隔熱氈、絕熱板、混凝土、隔熱涂層等保溫材料，本文針對這些材料的保溫特性及應用情況作出總結。

2.1 隔熱氈

SiO2氣凝膠材料的隔熱氈在建筑材料中的應用相對較為新穎，特別是針對存在空間和重量限制的特殊場景中或者管道保溫等有保溫隔熱需求的應用場景。用SiO2制成的隔熱氈具有比天然氣凝膠更好的機械性能，同時不影響其優異的絕緣性能。對比傳統保溫材料，SiO2氣凝膠絕熱氈導熱系數僅為傳統保溫材料的1/3～1/5，其保溫隔熱能力是傳統材料的2～8倍[19]。

Liang等[20]的研究工作中通過調整氣凝膠密度和纖維含量以優化SiO2氣凝膠復合纖維氈導熱性。在保持工作壓力為1.0Pa的條件下，作者探究了50～200kg·m-3的不同氣凝膠密度對復合纖維氈導熱性的影響，由實驗結果可知，有效熱導率隨密度增加而增加，此外實驗過程中需要實時改變氣凝膠厚度（從3.6mm改變為9.9mm）才可以保持U值不變為0.6W·（m·K）-1。此外當纖維含量為6.6%時可獲得最佳導熱系數即4.3W·（m·K）-1的導熱率和5.6mm的厚度。通過控制氣凝膠密度和纖維含量（密度低于90kg·m-3且纖維含量在6%～16%之間），以實現復合纖維氈使用壽命的有效延長，實驗預期的最大使用壽命為63a。

2.2 混凝土

氣凝膠混凝土由于其具有導熱系數低（0.07～0.16W·（m·K）-1）、自重輕、隔熱耐火等特點，在建筑材料中應用廣泛。但由于外源材料的摻入，混凝土的力學強度會有所減低，所以如何保證混凝土力學強度的同時提高其保溫性能成為科研工作人員現階段面臨的主要問題。

針對這個研究現狀，S.Fickler等[21]開發了復合高性能SiO2氣凝膠混凝土。通過調整SiO2氣凝膠的含量占比可以獲得不同強度不同導熱系數的材料，如氣凝膠在水泥基體中體積占比達60%時，復合SiO2氣凝膠混凝土材料的密度為860kg·m-3，其抗壓強度達到10MPa，且得到了最佳的導熱系數0.17W·（m·K）-1。Liu等[21]采用了溶膠-凝膠技術、真空浸漬法和超臨界快速干燥等3種技術制備了一種新型的用SiO2氣凝膠增強的復合泡沫混凝土（FCSA）。復合(FC-SA)的導熱系數比普通泡沫混凝土低48.4%，而保持良好的力學性能，其抗折、抗壓強度分別為0.62和1.12MPa。除了對于材料的性能進行測試，作者還針對材料的保溫性能進行了模擬實驗，如在芝加哥的冬季，使用FC-SA材料可節約6.64%的能源。

2.3 隔熱涂層

SiO2氣凝膠城納米多孔三維網狀結構，由于其孔隙率高、比表面積極大，密度極低、導熱系數較低等特點使之成為是目前可制備的隔熱涂層中性能最好的產品之一。盧斌等[23]對SiO2氣凝膠進行改性，然后制備出透明隔熱涂料。并進行實驗探究該隔熱涂層在不同SiO2氣凝膠含量占比條件下對其透光率的影響，由實驗結果可知，SiO2氣凝膠占比為20%時，該涂層的可見光透過率達90%，且涂層兩側的溫差達10°C以上，說明該涂層在保證良好的透光率的條件下，具有較好的保溫性能。汪慧[24]以改性SiO2氣凝膠和苯丙乳液的混合材料作為極低制備了隔熱涂料。當其中SiO2氣凝膠含量為4%時，該涂層的隔熱溫差高達10°C，各項指標均符合標準要求，力學性能良好。此外丁逸棟等[25]制備了SiO2氣凝膠復合型隔熱涂層，發現當SiO2氣凝膠為5%時，涂層的導熱系數低至0.08W·（m·K）-1，太陽光反射率接近90%，說明其保溫性能優異。

3 總結與展望

氣凝膠是近幾十年最有前途的保溫材料之一。隨著氣凝膠科研工作的進展，如何將其與不同材料復合用于各種場景中以替換傳統材料，成為現階段的科研工作的重點。目前，將SiO2氣凝膠復合至原建筑材料中以提高其保溫特性已成為可能，但建筑材料中摻入SiO2氣凝膠也會影響其機械性能。而保溫性能和機械性能對于絕緣材料在建筑行業的應用均是必不可少的，需要折中在這些性能之間，確定一個較好的氣凝膠的添加范圍，以確保能在得到良好的保溫性能的同時，也保持正常的力學性能至關重要。

最后，隨著材料節能環保領域的發展，對材料多功能性提出了更多需求，目前SiO2氣凝膠材料的多功能性仍存在不足，還需對SiO2氣凝膠材料開展更系統的基礎研究及實際應用研發，以滿足材料節能環保的需求。