氣凝膠為建筑保溫保駕護航
你知道嗎？SiO2氣凝膠是一種納米結構材料，具有很高的透光性和極低的熱導率，這些性能使得這種材料在建筑領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。本文主要介紹了氣凝膠材料的性能特點(diǎn)，以及國內外對于這種材料的研究和應用現狀，并討論了SiO2氣凝膠進(jìn)一步在建筑材料上應用需要解決的問(wèn)題。
氣凝膠是一種由納米量級粒子聚集并以空氣為分散介質(zhì)的新型非晶固態(tài)材料。與采用溶劑為分散介質(zhì)的濕凝膠不同的是，氣凝膠是一種以空氣取代原有骨架中的溶劑而制得的輕質(zhì)納米級多孔材料，它不同于常規溶膠-凝膠法得到的干凝膠，因其半透明的色彩和超輕重量，氣凝膠有時(shí)也被稱(chēng)為固態(tài)煙或凍煙。由于氣凝膠的納米孔超級絕熱性能，在建筑節能領(lǐng)域有著(zhù)廣泛和極具潛力的應用價(jià)值。但應用在建筑領(lǐng)域，其合成應用成本過(guò)高，只有降低這些超級材料的生產(chǎn)成本，才能使得這種新型功能材料得到廣泛的應用。
SiO2氣凝膠材料
氣凝膠這種多孔輕質(zhì)材料，早在70年前就已經(jīng)被發(fā)現，1931年美國加州太平洋大學(xué)的Kistler S.采用了超臨界干燥的方法從水凝膠中去除水分，得到了第一份沒(méi)有收縮的氣凝膠材料，在這么多年的發(fā)展和演化過(guò)程中，氣凝材料的許多潛在的優(yōu)良性能都已被開(kāi)發(fā)出來(lái)了，現在我們所說(shuō)的SiO2氣凝膠是一種由納米SiO2骨架組成的半透明材料，它的孔隙率高達99%，密度為0.05～0.2g/cm3，凝膠尺寸小于50nm ，孔直徑小于分子的平均自由程，熱導率常溫下為0.03～0.05W/m·K。
國內外建筑用SiO2氣凝膠應用
SiO2氣凝膠在建筑上的應用，在國內尚屬空白，現在的研究主要在開(kāi)發(fā)高附加值的應用產(chǎn)品，如應用在航天、藥物載體等。而在國外，自2000年以后對于建筑用氣凝膠材料已經(jīng)有了一定的研究和應用?，F在主要研究的方向有氣凝膠節能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材和屋面太陽(yáng)能集熱器。
1.氣凝膠節能窗
2000年，俄羅斯一家公司首先開(kāi)發(fā)出新型氣凝膠玻璃，應用于建筑材料領(lǐng)域。這種玻璃，從外觀(guān)和透明度看，和普通玻璃相似，但是它耐熱性極高，阻燃，抗放射性輻射，還可以調色和吸音。
在雙層玻璃中間填充透明保溫材料，是降低通過(guò)玻璃層傳熱的方法。硅氣凝膠材料有很小的孔結構，比可見(jiàn)光的波長(cháng)小很多。在氣凝膠中，約占體積95%～99%的空氣存于比空氣平均自由路徑小的細孔中。由于氣凝膠具有足夠的抗壓強度，能平衡外界氣壓，抽真空的氣凝膠窗就可以作為透明的分隔條使用。又由于抽真空的氣凝膠對于多數紅外輻射是不透明的，通過(guò)氣凝膠窗的純輻射熱損失很少。當前，氣凝膠研究著(zhù)重于開(kāi)發(fā)透明度高、耐久性好、塊體大、造價(jià)低的保溫產(chǎn)品。
Reim M等人在ISOTEG聯(lián)合項目中，曾經(jīng)研究出用于屋面絕熱的新型建筑用氣凝膠玻璃，這種材料既滿(mǎn)足熱絕緣性能，也滿(mǎn)足光學(xué)性能的要求，并且這種材料已開(kāi)始使用。
2.氣凝膠新型板材
采用氣凝膠生產(chǎn)新型絕熱板材是現在國內外研究的重點(diǎn)之一。波士頓Cabet公司是一家化學(xué)材料公司，近幾年它正在開(kāi)發(fā)一種新型氣凝膠絕熱板-Nanogel夾芯板，它是一種防潮、防霉、防菌、抗紫外線(xiàn)的完全可循環(huán)材料，它不易燃燒且在其生產(chǎn)過(guò)程中對臭氧層無(wú)任何的破壞作用。其顆粒狀的形態(tài)可以被緊密壓縮為復合結構的夾芯板，新罕布什爾州的Kalwall建筑材料公司利用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)成功地設計了一種 Nanogel材料為填充內核的復合結構夾心板——Nanogel夾心板。這種新型板材透光率為20％，而傳熱系數僅為0.05 W/(m2·K)。而目前絕熱性能很好的Kalwall夾芯板也只能透過(guò)10％的光線(xiàn)，而其傳熱系數為0.l W/(m2·K)。目前，Kalwall公司已經(jīng)將運用這種新型板材的窗配套安裝完畢，且造價(jià)也與采用Kalwall夾心板的相差無(wú)幾。這也為該新型板材推向建筑市場(chǎng)提供了經(jīng)濟可行性。
2003年1月，在位于曼徹斯特的一所小型旅館的室內熱水池的屋頂上安裝了由Kalwall公司制作的新型屋頂天窗系統。該系統使用新型技術(shù)的Nanogel夾芯板取代沿用幾十年的Kalwall夾芯板，取得了良好的效果。新的天窗系統在加強透光性的同時(shí)，并沒(méi)有在其隔熱層內產(chǎn)生通風(fēng)效應，同時(shí)也不會(huì )損失熱量，在大雪紛飛的冬季，熱水池的高溫也不能融化覆蓋在天窗上的雪花。
3.屋面太陽(yáng)能集熱器
在國外，氣凝膠用于屋面的太陽(yáng)能集熱器已經(jīng)有很長(cháng)時(shí)間了。在民用領(lǐng)域，太陽(yáng)能熱水器及其他集熱裝置的高效保溫，成了能否進(jìn)一步提高太陽(yáng)能裝置的能源利用率和進(jìn)一步提高其實(shí)用性的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)納米孔超級絕熱材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟和生產(chǎn)成本的不斷降低，該材料首先應用在家庭及單位的太陽(yáng)能熱水器。將納米孔超級絕熱材料應用于熱水器的儲水箱、管道和集熱器，將比現有太陽(yáng)能熱水器的集熱效率提高一倍以上，而熱損失下降到現有水平的30%以下。
集熱器的正面填充顆粒狀的氣凝膠，背面采用不透明的無(wú)定形硅作為絕熱材料。這種顆粒填充氣凝膠的主要的特點(diǎn)就是制作工藝和顆粒搭配問(wèn)題。在顆粒之間存在氣孔，得到的氣凝膠材料的導熱系數和塊體的氣凝膠有一定的差距，因此，要控制氣凝膠制作過(guò)程中的顆粒搭配，才能使得空隙很小。