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1前言

在建筑材料領(lǐng)域，二氧化硅（SiO₂）氣凝膠材料具有質(zhì)量輕、密度低、比表面積高、熱導率低和透光性高等特性，使得其成為一種新型納米輕質(zhì)、多功能、節(jié)能環(huán)保的材料。目前，二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用形式主要有氣凝膠節(jié)能玻璃、氣凝膠涂料、氣凝膠氈墊、氣凝膠板材、氣凝膠混凝土和砂漿以及屋頂太陽能集熱器等。

2氣凝膠特性

SiO₂氣凝膠為特殊三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑小于空氣分子的平均自由程，能阻隔熱傳導、熱對流、熱輻射，導熱系數(shù)低至0.017~0.040W/（m·K），此外還具有低密度（0.1~0.5g/cm³）、高比表面積、高吸附性、優(yōu)良疏水性（水接觸角大于145°）、與基材緊密貼合、易與其它材料復合、能有效消除CUI（保溫層下腐蝕）、符合RoHS標準限值等優(yōu)點，成為當前熱門的功能填料。

SiO₂氣凝膠 圖源：中航科學研究院（廣東）有限公司

3氣凝膠制備

（1）制備流程

二氧化硅氣凝膠的制備過程主要包括：水解、縮聚、老化、干燥。

二氧化硅氣凝膠合成示意圖

水解：以TEOS為例，在催化劑的作用下硅源水解后形成溶膠，生成物中活性Si-OH增多，為后續(xù)縮聚反應(yīng)提供活性反應(yīng)位點。

縮聚：在合適的催化劑作用下，活性Si-OH之間發(fā)生聚合，形成-Si-O-Si-長/短鏈相互連接的三維骨架凝膠。根據(jù)使用的分散介質(zhì)分類，凝膠可以分為水凝膠和醇凝膠。

老化：通常將凝膠浸泡在母液中老化，從而增強凝膠強度，降低干燥過程中骨架坍塌和收縮風險。

干燥：在保留凝膠三維骨架結(jié)構(gòu)完整的條件下去除孔隙中的液體，因此該過程需要采用特殊的干燥處理方法。

（2）干燥工藝

二氧化硅氣凝膠制備過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是干燥環(huán)節(jié)，要在保持凝膠網(wǎng)絡(luò)不被破壞的前提下從基質(zhì)中去除溶劑，從而產(chǎn)生體積和形狀不變的多孔固體。

目前常用干燥技術(shù)有，超臨界高壓干燥、冷凍干燥和常壓干燥。其中，超臨界高壓干燥工藝的技術(shù)門檻低、干燥效果好，是目前最普遍應(yīng)用的干燥方法。然而超臨界高壓干燥方法設(shè)備復雜、高壓工藝較危險且成本高，因此低成本的常壓干燥方法是未來發(fā)展趨勢。

SiO₂氣凝膠的低成本常壓干燥制備技術(shù)流程

（3）力學性能補強

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(yīng)用。因此，補強天然SiO₂氣凝膠的力學性能也十分必要。例如，熱處理法、纖維復合增強法、高分子聚合物復合增強法等。

纖維復合增強氣凝膠 微觀結(jié)構(gòu)

4建材領(lǐng)域應(yīng)用

（1）節(jié)能玻璃

SiO₂氣凝膠制成的玻璃同時具有高透光性和低導熱系數(shù)兩種特性，可廣泛用作建筑玻璃�？蓽p少室內(nèi)外熱量對流，起到良好的保溫隔熱作用，又不影響室內(nèi)采光；同時具有調(diào)色和吸聲的作用，應(yīng)用優(yōu)勢顯著。

目前，SiO₂氣凝膠在建筑玻璃中有兩種常用形式：一是雙層玻璃的夾層中，二是作為玻璃的外鍍膜。

節(jié)能玻璃

（2）隔熱涂層

SiO₂氣凝膠隔熱保溫材料是一類具有超低導熱系數(shù)的新型納米材料，具有很高的孔隙率，其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔隙能夠有效地阻隔固體熱傳導，并延長空氣熱對流路徑，其室溫下的導熱系數(shù)可低至0.013~0.016W/（m·K），低于空氣的導熱系數(shù)0.025W/（m·K）。將具有超低導熱系數(shù)的SiO₂氣凝膠用于涂料中能顯著提高涂料的隔熱保溫效果。

涂上氣凝膠涂料的化工儲罐

此外，因氣凝膠自身結(jié)構(gòu)是多孔結(jié)構(gòu)，可以達到的不燃性為A級。若將其應(yīng)用于建筑鋼材的表面上，作為復合材料覆蓋鋼結(jié)構(gòu)，可以為鋼結(jié)構(gòu)提供更耐火的性能，并且不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，屬于很好的耐火材料。

涂層型硅基氣凝膠絕熱復合材料的微結(jié)構(gòu)示意圖

SiO₂氣凝膠隔熱涂料制備流程圖

（3）混凝土和砂漿

水泥、混凝土是最常見的建筑工程材料之一，但其保溫隔熱性能差，較難滿足高標準建筑節(jié)能要求。將二氧化硅氣凝膠與混凝土砂漿復配，可提高混凝土砂漿孔隙率并優(yōu)化內(nèi)部傳熱路徑，從而改善混凝土砂漿的保溫隔熱性能。

S.Fickler等開發(fā)了復合高性能SiO₂氣凝膠混凝土。通過調(diào)整SiO₂氣凝膠的含量占比可以獲得不同強度不同導熱系數(shù)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·m³，其抗壓強度達到10MPa，且得到了最佳的導熱系數(shù)0.17W·（m·K）^-1。

氣凝膠墻板材料

（4）隔熱膠氈

二氧化硅氣凝膠氈是指將二氧化硅氣凝膠在溶膠階段與纖維增強體復合，隨后通過凝膠、老化、干燥等過程制備得到的保溫隔熱氈墊。對比傳統(tǒng)保溫材料，SiO₂氣凝膠絕熱氈導熱系數(shù)僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/3～1/5，其保溫隔熱能力是傳統(tǒng)材料的2～8倍。

目前市場上氣凝膠氈墊的纖維增強體部分主要采用的是玻璃纖維針刺氈，使用溫度一般可以達到550℃，這類產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用到了石油管道、城市熱力管網(wǎng)中。

納米SiO₂氣凝膠氈

結(jié)語

目前，二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱建材方面的應(yīng)用產(chǎn)品種類偏少，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)亟待突破。以技術(shù)發(fā)展需求為例，提高氣凝膠材料在高溫隔熱應(yīng)用中的穩(wěn)定性，打破高溫“上限”，擴展應(yīng)用場景；改進氣凝膠表面改性技術(shù)，提高材料力學性能；開發(fā)低成本常壓干燥工藝等。

參考文獻

李斌斌，等：SiO₂氣凝膠材料在建筑墻體保溫中的應(yīng)用研究建華建材(中國)有限公司

潘月磊，等：二氧化硅氣凝膠及其在保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用進展，中國科學技術(shù)大學

張莉，等：新型復合建筑材料 SiO₂氣凝膠在土木工程應(yīng)用探析，陜西能源職業(yè)技術(shù)學院

王燕，等：硅基氣凝膠保溫隔熱材料與建筑節(jié)能技術(shù)的融合分析，西安思源學院城市建設(shè)學院

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光）

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