SiO2气凝胶保温隔热材料及其在建筑节能中的应用

王 虎，刘明辉，孙晓瑜，魏 莉

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

自1970年代能源危机以来，建筑节能就引起了人们的极大关注。按照目前的消耗速度，煤炭储量约在130年内消耗完，天然气约在60年内消耗完，石油在40年内消耗完[1]。建筑行业作为最大的能源消耗和温室气体排放源(建筑能耗占世界总能耗的36%和CO2排放占世界CO2排放总量的39%[2])，是造成温室效应、大气污染、环境恶化等一系列问题的主要原因，建筑节能已然成为21世纪第三个十年中最重要的全球性课题之一。

研究表明，70%以上的建筑能耗是由维护结构的传热造成的，减少维护结构的传热能耗对降低建筑能耗至关重要，关键措施是应用性能优异的保温隔热材料。即使在大多数国家使用保温隔热材料30年后，保温隔热材料的研发也一直是热点。如果没有高效保温隔热的建筑围护结构，近零能耗建筑以及零能耗建筑几乎是无法实现的[3]。SiO2气凝胶是近年来出现的新型保温隔热材料，它具有超低导热系数、耐火不燃、透明、环保、疏水、无毒、轻质等特点，与传统保温隔热相比拥有更大的功能优势，是目前最先进且最具潜力的超级保温隔热材料，在建筑节能领域拥有广阔的应用前景。本文首先简要介绍了SiO2气凝胶的制备方法、性质及保温隔热机理，最后总结了SiO2气凝胶在建筑保温隔热领域的应用研究进展。

1 气凝胶保温隔热材料

气凝胶作为一种新型绝热材料，1931年由美国斯坦福大学学者Stephan Kistler首次制备而成[4]，但直到最近二十年才引起了人们对这种材料的极大兴趣。2015年后，SiO2气凝胶因其绝佳的保温隔热特性在我国逐渐开始生产和应用。

1.1 SiO2气凝胶的制备

SiO2气凝胶制备方法有多种，最典型的是醇盐溶胶-凝胶工艺。主要分三个阶段，合成示意图见图1[5]。第一阶段通过添加催化剂的前驱体溶液(硅源)制备凝胶。第二阶段凝胶在水中或母液中老化。该过程赋予了凝胶更高的强度和刚度，防止在诸如常压干燥等干燥过程中强大的毛细力作用下，孔隙中的凝胶塌陷。第三阶段对老化后的凝胶进行干燥。干燥是为了把凝胶孔隙中未反应的溶剂和水除掉，让气体分散介质充满在孔隙中，决定了SiO2气凝胶的质量和性能是否优异。目前，最常见的干燥技术有3种，分别为常压干燥、超临界干燥和真空冷冻干燥。

图1 SiO2 气凝胶制备过程

1.2 SiO2气凝胶的性质

SiO2气凝胶独特的三维纳米网络多孔结构赋予其无与伦比的特性。SiO2气凝胶内部96%以上的成分是由气体组成，孔隙率高达85.0%～99.8%，轻若薄雾颜色泛蓝，故又被称为“蓝烟”。因此，当其加入到复合材料中时会降低材料的整体密度，从而降低建筑围护结构的重量。SiO2气凝胶导热系数低至0.013 W/(m·K)，适用于-200～800 ℃的温度范围，应用到建筑围护结构上可显著提高建筑的保温隔热性能。SiO2气凝胶防火等级为A1级，即使发生火灾时也无有害气体放出，绿色环保。SiO2气凝胶可见光波段内的透过率高达90%以上，相对折射率接近于1，具有透明和半透明之间的光学特性。SiO2气凝胶纵向声传播速率为100 m/s，也可用作隔音材料和吸音材料。

SiO2气凝胶强度低、韧性差，单独使用往往无法满足建筑用力学标准。普通SiO2气凝胶孔道内有大量硅羟基，与空气中水接触会吸水而开裂，结构坍塌，致使性能严重下降。可用三甲基硅烷之类的表面修饰液取代硅羟基，由亲水转疏水。SiO2气凝胶近红外波段透过性强，致使高温隔热性差，需添加红外遮光剂来增强对高温红外线辐射的抵抗[6]。

1.3 SiO2气凝胶的保温隔热机理

SiO2气凝胶基体中的传热主要包括：固相导热、气相导热和红外热辐射三部分。对于纳米多孔保温隔热材料来说，固相热导率与密度和孔隙率有关，气相热导率受孔径尺寸、孔径分布和孔体积等因素的影响。SiO2气凝胶的低密度和高孔隙率是保持较低固相热导率的关键。SiO2气凝胶孔内分散的气体主要为N2和O2，气体分子运动的平均自由程大于SiO2气凝胶的孔洞尺寸，气体分子碰撞几率几乎为零，热对流传热很低，气相导热系数极小。SiO2气凝胶中大量孔隙形成无数个界面对热辐射的反射、折射、吸收作用可大大抑制热辐射导致的热量散失[7]。

2 SiO2气凝胶在建筑保温隔热中的应用

作为一种新型材料，SiO2气凝胶价格一直较高，因此很少用在建筑领域。近年来，随着制备SiO2气凝胶的工艺不断改进，产量不断增加，其价格也在不断下降。因出色的绝热特性，人们一直没有放弃将SiO2气凝胶在建筑领域中应用的努力。SiO2气凝胶在建筑保温隔热中的应用形式通常为复合材料制品，且具有多种形态，包括SiO2气凝胶玻璃、SiO2气凝胶水泥基复合材料、SiO2气凝胶纤维复合材料、SiO2气凝胶涂料以及其他新型SiO2气凝胶复合材料。

2.1 SiO2气凝胶玻璃

SiO2气凝胶玻璃通常是指将气凝胶填充到两片玻璃中间，形成一种“三明治”结构，可分为整块状填充和颗粒状填充两类。Duer和Lampet[8]发现整块状SiO2气凝胶在玻璃窗户单元展现出优异的绝热性能。但由于整块气凝胶的机械强度较弱，大规模制造时往往会由于其脆性而出现裂纹，导致市面上几乎没有整块填充气凝胶玻璃。为了扩大整块气凝胶玻璃的生产，Bhuiya等[9]通过热处理去除了SiO2气凝胶生产中的残留溶剂，并将玻璃透明度提升了10%，生产成本却过高。Zinzi等[10]通过快速超临界萃取技术生产了价格相对合理的整块状SiO2气凝胶，但获得的SiO2气凝胶仍然很小，无法应用于窗户。因此，颗粒状是该类型的最佳选择。Garnier等[11]在氩气涂层双层玻璃中加入SiO2气凝胶颗粒，传热系数可低至0.3 W/(m2·K)，并可有效降低太阳能辐射的热传输。Lolli等[12]用SiO2气凝胶颗粒替换三层氩气中空玻璃中的氩气，与原玻璃相比最高可节省20%的供暖能源。Belloni等[13]在双层玻璃的间隙中混合了SiO2气凝胶颗粒和中空二氧化硅粉末，通过验证模型对东京一栋参考建筑进行了能源分析，发现气凝胶玻璃在所有不同的朝向条件下的加热能量需求方面都优于标准的低辐射玻璃。

当前研究热点是将相变材料(PCM)和SiO2气凝胶一起填充到玻璃中，以增强热储存或增加太阳能增益。Büttner等[14]在玻璃面板之间结合了真空和SiO2气凝胶，也就是形成气凝胶柱，传热系数约0.5 W/(m2·K)，具有高透射率和高太阳能增益。Zhang shu等[15]在三层普通6 mm浮法玻璃中模拟填充石蜡和SiO2气凝胶。研究表明，在中国严寒冬季气候下，含有12 mm厚度的SiO2气凝胶和283 K熔化温度石蜡的三层玻璃窗与传统三层玻璃窗相比，节能率为56.67%。

2.2 SiO2气凝胶水泥复合材料

在过去十年中，对SiO2气凝胶的水泥复合材料的研究主要集中将SiO2气凝胶惨入泡沫混凝土、保温砂浆和作为可用作结构和隔热材料的轻质复合材料。

2.2.1 SiO2气凝胶泡沫混凝土

泡沫混凝土作为一种多孔轻质混凝土，相比于普通混凝土，其导热系数低、隔热耐火、吸音降噪、低弹抗震，可用于建筑屋面、墙体、墙面、等地方的保温隔热。为制得高性能的泡沫混凝土，在制备过程中常掺入不同性能的掺合料。因此，国内外对SiO2气凝胶混凝土的研究集中在把SiO2气凝胶作为填充材料来制备高性能气凝胶泡沫混凝土上。Liu等[16]用溶胶-凝胶、真空浸渍和快速超临界干燥工艺合成出一种填充度高达74vol%的SiO2气凝胶泡沫混凝土，模拟应用在冬季寒冷的芝加哥可节电98.3 MWh。Yoon等[17]在普通泡沫混凝土中分别嵌入三甲氧基硅烷合成与三甲氧基硅烷和正硅酸乙酯混合物合成的SiO2气凝胶。研究表明：与原相比，两种不同类型的SiO2气凝胶泡沫混凝土机械性能均未受显著影响，热导率分别降低了13%和18%。付平等[18]在SiO2气凝胶泡沫混凝土制备过程中引入玻璃纤维。当纤维含量为0.9%时，导热系数为0.058 W/(m·K)，抗压强度为0.32 MPa。李朋威等[19]将自制的纳米多孔SiO2气凝胶加入到具有微米级和毫米级孔径的泡沫混凝土中，导热系数最小可达0.049 W/(m·K)，并且满足建筑标准要求的力学强度。Haiying Zhang等[20]使用密度为200 kg/m3和0.045 8 W/(m ·K)热导率的超轻质SiO2气凝胶制备泡沫混凝土，并比较了动态隔热材料-RC模型与发泡聚苯乙烯(EPS)和普通混凝土的性能。研究结果表明，SiO2气凝胶泡沫混凝土的热损失比普通混凝土低近3倍，在寒冷天气下有着更好的保温隔热效果。

2.2.2 SiO2气凝胶保温砂浆

SiO2气凝胶颗粒或粉体作为功能结构材料的保温骨料掺入到砂浆中，能有效降低砂浆的导热系数，可应用于建筑内外墙。SiO2气凝胶填充到膨胀珍珠岩热导率会降低14.7%～31.8%[21]，因此一些研究使用填充SiO2气凝胶的膨胀珍珠岩作为骨料提高砂浆的保温隔热性能。Wang等[22]发现SiO2气凝胶填充的膨胀珍珠岩级配对砂浆的保温隔热性能起着重要作用。含有100%的气凝胶填充非级配膨胀珍珠岩代替沙子样品的导热系数为0.263 W/(m·K)，而含有气凝胶填充的级配膨胀珍珠岩样品的导热系数为0.098 W/(m·K)。贾冠华等[23]把膨胀珍珠岩浸渍到SiO2气凝胶溶液中，后经凝胶干燥处理，使气凝胶均匀分布在膨胀珍珠岩的孔隙中，添加到砂浆后导热系数可低至0.044 2 W/(m·K)。Qiuhui Yang等[24]把酸/碱两步催化的湿凝胶引入膨胀珍珠岩中，最小导热系数为0.036 W/(m·K)，最小吸水率为9.2%，抗压强度为0.214 MPa。也有研究人员把SiO2气凝胶与软木结合进行实验分析，如Pereira等[25]在比较不同材料制备的保温砂浆保温性能和力学性能时，发现虽然SiO2气凝胶和粒状软木基砂浆的机械性能均低于其他用膨胀粘土和沙子制备的砂浆，但常温和高温下的隔热性能却都更好。Morgado André等[26]还报道了用再造粒膨胀软木、SiO2气凝胶和膨胀聚苯乙烯的抹灰可以有效降低抹灰的隔热性能。Bostanci[27]是对废橡胶制成的碱活化矿渣砂浆进行了研究，在SiO2气凝含量0.35wt%时，热导率降低了21.83%。

2.2.3 SiO2气凝胶轻质水泥复合材料

许多研究人员因用途不够明确，固用“轻质水泥复合材料”来描述他们的产品。Pedroso等[28]在高效减水剂和树脂改进后的水泥基体中加入SiO2气凝胶，获得了一种具有高隔热性能的轻质水泥复合材料(nanoSIR)，导热系数可低至0.029 W/(m·K)。Lu等[29]研究了用硅烷偶联剂K5-550改性后的轻质SiO2气凝胶/水泥复合材料的性能，发现66vol%改性气凝胶样品的导热系数为0.067 W/(m·K)。Jang等[30]研究了具有碳纳米管和SiO2气凝胶的轻质水泥复合材料，发现气凝胶含量为0.25%～2%时，材料的热导率均降低，而机械强度的变化可以忽略不计。

2.3 SiO2气凝胶纤维复合材料

由于SiO2气凝胶强度低、韧性差，因此在制备过程中往往会将其充渍纤维预制件中，经过凝胶老化、干燥过程而得到SiO2气凝胶复合材料——SiO2气凝胶板和SiO2气凝胶毡。

2.3.1 SiO2气凝胶板

板材类型包括SiO2气凝胶真空绝热板和SiO2气凝胶保温板。SiO2气凝胶真空绝热板是把热解的SiO2气凝胶颗粒/玻璃纤维和金属聚合物组合，通常用作顶层公寓的保温隔热材料。梁玉莹等[31]通过一维稳态导热建立起SiO2气凝胶复合真空绝热板热导率的理论模型，表明气凝胶复合真空绝热板的热导率随气凝胶密度的增大而增大，且气体压力为1 Pa、纤维素含量为7.3%时导热系数为0.003 5 W/(m·K)(最低)。随后梁玉莹[32]又通过微观结构建立气凝胶真空绝热板隔热性能和使用寿命的计算模型，发现气凝胶真空绝热板寿命可高可达50年。Liang等[33]制备的纤维毡/SiO2气凝胶的VIP芯，当气体压力为1 Pa和0.1 Pa时，导热系数为0.004 3 W/(m·K)和0.003 9 W/(m·K)。SiO2气凝胶保温板多用作墙体的保温隔热。J.Yang等[34]通过实验评估气凝胶保温板、发泡聚苯乙烯、玻璃棉内部空气温度达到最大值的关键时间，发现气凝胶保温板的时间最长(超过10 h)。Ibrahim等[35]将SiO2气凝胶新型超级绝热板应用到内保温多层墙体上显示出良好的保温隔热性能，与不采用绝热板的墙体相比热导率降低80%以上。Qiuhui Yan等[36]采用浸渍—常压干燥法分别制备了SiO2气凝胶/岩棉复合板和SiO2气凝胶/玻璃棉复合板，有效改善了岩棉和玻璃棉的短期吸水性、导热性和耐压性。当气凝胶添加量为8%，浸渍时间20 min时，导热系数为0.033 0 W/(m·K)和0.026 3 W/(m·K)。

2.3.2 SiO2气凝胶毡

SiO2气凝胶毡在建筑行业的应用相对较新，一般应用在空间和重量受限的项目。Nocentini等[37]通过微波加热表征了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和玻璃纤维两种不同纤维网络的SiO2气凝胶毡，发现在相对湿度较高的环境中，两种气凝胶毡的导热系数均低于0.021 W/(m·K)。Hoseini等[38]对4种商业气凝胶毡进行20次压缩减压加载，毡子的热导率变化均低于5%。Huang等[39]以潮湿的亚热带气候下的典型办公楼为模型，分析了一种新型超级隔热SiO2气凝胶毡以及EPS、XPS、PU和GF的最佳保温厚度。研究表明，与混凝土墙中的 PU(38 mm)、XPS(44 mm)、GF(45 mm)或 EPS(70 mm)相比，气凝胶的最薄(3.7 mm)。

2.4 SiO2气凝胶涂料

SiO2气凝胶涂料是将气凝胶粉体分散在专用高性能树脂乳液中，或与无机粘结剂体系中复合制备而成，直接用到建筑内外墙具有保温隔热、隔音降噪、抗震、防火等功能。刘成楼等[40]用交联丙烯酸乳液为成膜物制备的SiO2气凝胶隔热保温涂料导热系数低至0.027 W/(m·K)，涂在钢板试验箱上，观察到1 mm厚度的涂层比8 cm厚的聚苯泡沫板隔热效率都高。Noppakun Sanpo等[41]通过将SiO2气凝胶与丙烯酸粘合剂混合制成一种简单的保温隔热涂料。在密闭室中，涂料涂层的温差测量可使表面温度平均降低25%，但是在通风的环境下保温效果会大打折扣。Yanru等[42]把焚烧炉底灰制备的SiO2气凝胶水性涂料涂在水泥板基材上与在60 ℃的加热板上，与没有气凝胶涂料的情况相比，它实现了高达12 ℃的表面温度改进，并且在外部温度为44.6 ℃的情况下，室内温度降低了1 ℃。

2.5 其他材料

由于SiO2气凝胶的多功能性，将它结合到不同的基质中开发新的复合材料。Masera等[43]设计了一种基于SiO2气凝胶用于室内能源改造的纺织墙纸，在室内热力改造方面取得了可喜的成果。Jia等[44]制备了一种超低导热系数[0.026 W/(m·K)]的全生物降解超轻乳酸/SiO2气凝胶纳米复合材料。Abd Halim等[45]以SiO2气凝胶为填料制备了热性能改善的单组分室温硫化硅橡胶复合材料，在建筑保温和防火方面具有潜在的应用前景。

3 结 语

SiO2气凝胶保温隔热材料的使用对建筑节能产生积极影响，可以显著减少温室气体CO2的排放(高达约65%)，契合我国碳中和节能减排大趋势。从现阶段的发展来看，针对SiO2气凝胶保温隔热材料还需要展开更系统的工程应用技术研发，如复合材料的长期行为、胶凝材料与气凝胶的化学反应机理、计算最佳保温厚度等。SiO2气凝胶保温隔热材料未来必将广泛应用于建筑节能领域。