建筑节能气凝胶应用与效果1引言在中国城镇化飞速发展的今天，我国能源需求结构发生了重大变化，建筑用能占全国新增能源消费总量从2005年不到35%上升到2012年的57%～75%，因此建筑节能是中国在未来20年实行“节能优先、结构优化、环境友好”的可持续发展能源战略的重要领域［1］。通过使用高效的节能系统能够有效的减少建筑能耗。据估算使用先进的节能材料和合理的节能措施能够节省高达80%的建筑能耗［2］，其中采用保温绝热材料是实现建筑能耗降低的主要措施之一，但传统建筑保温材料已越来越难以满足建筑节能的需求。1931年首次制备出的气凝胶材料，是一种纳米多孔结构的固体新材料，具有超轻、高绝热等优点，近年来随着研究的深入和应用的拓展，气凝胶的在建筑领域的应用将使得节能效果实现数量级上的提高，因此日益展现出巨大优势和前景。2气凝胶简介气凝胶，又被称为“固态烟”或“冻烟”，是目前已知最轻固体材料。气凝胶具有三维网状的微观结构，这种特殊的结构使其具有低密度、低导热系数、高比表面积、高声阻抗等特有的性能［3-5］，从而使其在隔热、隔音、储氢、催化等领域有很好的应用前景。气凝胶的制备一般包括三个阶段:一是湿凝胶的制备。用溶胶-凝胶法来制备湿凝胶，在反应过程中分散在液体中的纳米颗粒凝聚在一起进而在整个溶液中形成一个连续的三维网状结构。二是湿凝胶的老化。溶胶达到凝胶点时，硅聚合物充满了整个盛溶胶的容器。然而，凝胶中的硅骨架上还有很多尚未反应的活性基团。水解反应和缩合反应可能会继续，并且有足够的时间时会加强二氧化硅的网状结构。三是湿凝胶的干燥。干燥是气凝胶生产过程中最后也是最关键的一步，毛细管力是整个干燥过程中的关键因素。最常用的干燥方法有常压干燥(APD)和超临界干燥(SCD)两种［6］，常压干燥方法工艺简便，但湿凝胶干燥过程中骨架孔隙中的液体毛细张力会引起干燥过程中凝胶的收缩甚至开裂。超临界干燥方法是让骨架孔隙中的液体在高于其临界温度Tcr和临界压力Pcr条件下排出，在干燥过程中使溶剂毛细管张力消失，能够制备超低密度的气凝胶，但工艺、设备复杂、成本较高。3气凝胶材料在建筑中的实际应用形式气凝胶有诸多的优点，在建筑节能领域的应用中主要是利用其低密度、良好的隔热性和阻燃性等性能，气凝胶与几种常用保温材料性能对比如表1所示。3．1气凝胶颗粒气凝胶颗粒一般为二氧化硅气凝胶，分为疏水性和亲水性。气凝胶颗粒制备常用方法有一次成型法和二次成型法，李兴旺等［9］采用一次成型法以甲酰胺作为反应催化剂，水玻璃作为凝胶先驱体，利用溶胶-凝胶法在常压下制备出了性能优良的二氧化硅气凝胶微粒。二次成型是制备出块状二氧化硅气凝胶后，按粒径要求采用不同的破碎方法制备不同粒径的二氧化硅气凝胶颗粒。乌尔里克鲍尔等［10］将疏水气凝胶颗粒通过均化器进行研磨，并在研磨过程中进行表面处理以防止凝聚或聚集，可制备出粒径小于1微米的气凝胶颗粒。常压下合成气凝胶粉粒比较容易，具有实现大规模商业生产的可行性。国内外很多厂家已经生产出性能优良的商用气凝胶颗粒。例如美国卡博特公司采用新的工艺省去了成本高昂的传统超临界干燥过程，可在室温条件下连续生产完全疏水的二氧化硅气凝胶，产品粒度分布广(5～4mm)热导率低(0．009～0．012W/m?K)密度低(30～100kg/m3)。国内的广州埃力生公司也有类似的商用气凝胶颗粒在售，其性能和国外产品相近，粒度在0．5～5mm，密度在40～200kg/m3，比表面积可达600m2/g。3．2气凝胶毡气凝胶毡是通过将气凝胶与纤维增强材料进行复合，解决了气凝胶机械强度低，易碎易裂、高温隔热性能不佳等问题，能够使其在建筑领域有更大的实用价值。气凝胶毡的增强材料有两类:一类是韧性较好的有机纤维如芳纶纤维、聚氨酯纤维等;另一类是耐高温的无机材料如玻璃纤维、陶瓷纤维、硅钙石等。将制得具有流动性的溶胶与纤维增强材料复合，再经过凝胶(a)P-typeAerogelblanket;(b)C-typeAerogelblanket干燥等过程就得到了气凝胶毡。这种方法即可制得刚性的复合气凝胶板材也可制备具有柔性的气凝胶毡。Chand等［11］以水玻璃为硅源氧化铝溶胶改性的玻璃棉为增强体常温干燥制备出...
