摘要:氣凝膠材料是通過溶膠-凝膠法和特殊的干燥技術(shù)制備而得的一種新型材料，是一種具有低密度、低熱導(dǎo)率、低折射率、高孔隙率等優(yōu)良物理性能的納米多孔材料。氣凝膠的耐高溫性能十分突出，在建筑材料領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。介紹了氣凝膠的制備過程，并且著重介紹了氣凝膠材料在建材方面的研究進(jìn)展，對(duì)其在建材領(lǐng)域的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞:氣凝膠;建筑材料;保溫隔熱;熱導(dǎo)率;密度

　　建筑材料論文范文：綠色建筑材料的發(fā)展與應(yīng)用探究

　　摘要：在我國大力倡導(dǎo)低碳、環(huán)保、節(jié)能等發(fā)展理念的形式下，建筑施工領(lǐng)域也越來越注重綠色建筑材料的使用。基于此，本文重點(diǎn)針對(duì)綠色建筑材料的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以供參考。

　　關(guān)鍵詞：綠色建筑材料;發(fā)展;應(yīng)用

　　2005年，建筑業(yè)的能耗占中國新增能耗達(dá)35%[1]。伴隨著環(huán)境問題的增多和能源問題的不斷惡化，更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、高效的材料是解決建筑行業(yè)高能耗問題的合理研究方向之一。市場(chǎng)上常見的傳統(tǒng)無機(jī)保溫隔熱材料，如保溫砂漿[2]、巖棉[3]、泡沫玻璃[4]等，性能都有不足。

　　氣凝膠材料擁有低熱導(dǎo)、高孔隙率、低密度等優(yōu)異特性[2]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前常見的傳統(tǒng)無機(jī)耐高溫材料。市面上常見的保溫隔熱耐高溫材料，如擠塑聚苯板(XPS)、膨脹聚苯板(EPS)等，在面對(duì)火災(zāi)等問題時(shí)存在嚴(yán)重的安全隱患。而氣凝膠材料具有優(yōu)異的阻燃性能。同時(shí)，氣凝膠的制備成本和生產(chǎn)周期可控，故氣凝膠在將來能夠用于替代很多建筑材料或與傳統(tǒng)材料復(fù)合作為新型建材。因此，氣凝膠材料在建筑保溫隔熱、節(jié)能降耗方面擁有十分廣闊的研究前景和開發(fā)價(jià)值。

　　本文介紹了氣凝膠的制備方法、性能以及氣凝膠顆粒、氣凝膠隔熱板、氣凝膠泡沫混凝土和氣凝膠玻璃等材料，展望了氣凝膠在建筑行業(yè)的應(yīng)用前景。

　　1氣凝膠的制備

　　氣凝膠材料是由納米級(jí)顆粒聚集成納米多孔結(jié)構(gòu)材料，是一種填充有膠體顆粒或聚合物分子、以氣態(tài)分散介質(zhì)充滿孔隙的多孔輕質(zhì)材料[5]，是迄今已知的最輕的固體。可分為氧化物氣凝膠、碳/石墨氣凝膠、有機(jī)氣凝膠等[6]。

　　1931年，Kistler[7]創(chuàng)造了“aerogel”的概念，首次以水玻璃為原料，通過超臨界干燥技術(shù)合成得到氣凝膠材料。在20世紀(jì)80年代，Pekala等[8]研究制備出了間苯二酚/甲醛有機(jī)氣凝膠。在1992年國際材料工程會(huì)議上，Hunt等學(xué)者首先提出了超級(jí)絕熱材料的相關(guān)話題[9]。

　　之后，西方發(fā)達(dá)國家將氣凝膠廣泛用于航空航天、建材等領(lǐng)域，很多產(chǎn)品已經(jīng)能夠投入商用。國內(nèi)對(duì)氣凝膠的研究起步較晚，但發(fā)展迅猛，十幾年來已在氣凝膠的制備、性能檢測(cè)和應(yīng)用開發(fā)方面取得了很多成果和經(jīng)驗(yàn)。1999年，張敬暢等[10]通過用廉價(jià)的無機(jī)鹽為原料，結(jié)合溶膠-凝膠法和超臨界干燥制備出了納米級(jí)的TiO2氣凝膠。

　　2019年，楊鎮(zhèn)源等[11]采用預(yù)聚體法制備出了聚酯型熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)/二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。氣凝膠在合成過程中，主要包括溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和干燥兩個(gè)階段，通過前驅(qū)體在適當(dāng)催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到濕凝膠，再通過干燥制備出氣凝膠。

　　溶膠-凝膠過程通過3個(gè)步驟將膠體溶液轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)且無序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu):原料首先在溶液中發(fā)生水解反應(yīng);水解后的分子通過縮聚反應(yīng)在溶液中聚集成小粒子簇，伴隨小粒子簇的增多進(jìn)而聚集成大粒子簇;之后發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，最終制得凝膠。

　　通過老化步驟，可以使凝膠結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)絡(luò)合粘結(jié)得更加穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)中的連接網(wǎng)絡(luò)部分更加粗壯，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在之后的干燥過程中，不會(huì)因凝膠結(jié)構(gòu)塌陷造成制備失敗。常見的老化過程是以乙醇作為老化液，在保持一定的環(huán)境和溫度下，老化一周左右的時(shí)間，期間定期更換老化液。老化后的凝膠需要進(jìn)行干燥才可以得到最終的氣凝膠。

　　目前氣凝膠制備所用的干燥技術(shù)主要有常壓干燥、冷凍干燥以及超臨界干燥。常壓干燥是處理前驅(qū)體使其獲得疏水性，再通過升溫加熱獲得氣凝膠。冷凍干燥是通過使介質(zhì)升華處理凝膠的干燥技術(shù)，用來避免產(chǎn)生氣-液界面。超臨界干燥是將濕凝膠中需要被干燥的介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌�臨界態(tài)，使其表面張力降低為0，保證凝膠結(jié)構(gòu)的完整和其優(yōu)異的性能[13]。

　　氣凝膠優(yōu)異的物理性能得益于其所具有的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)，但是微觀結(jié)構(gòu)的形成依賴于氣凝膠本身的制備過程，因此改良?xì)饽�膠的制備工藝是目前氣凝膠應(yīng)用開發(fā)的主要方向[12]。

　　2氣凝膠的應(yīng)用

　　氣凝膠擁有優(yōu)異的保溫性能，其在節(jié)能方面擁有廣闊的應(yīng)用前景，目前已有部分產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

　　2.1氣凝膠顆粒

　　SiO2氣凝膠分子聚合起來形成的粒狀物質(zhì)被稱為氣凝膠顆粒，根據(jù)分子性質(zhì)可分為疏水性和親水性。通常制備方式有兩種:一次成型法，用甲酰胺作為催化劑，水玻璃為凝膠前驅(qū)體[15]，通過溶膠-凝膠法制備出SiO2氣凝膠顆粒;二次成型法，先制備出塊狀SiO2氣凝膠顆粒，再按照所需粒徑大小制備顆粒。

　　據(jù)報(bào)道，美國烏爾里克·鮑爾等已制備出粒徑小于1μm的氣凝膠顆粒(專利號(hào)為CN200880015808.X)。因其制備的簡易性，可推出商用型氣凝膠顆粒，國內(nèi)外都有公司推出相關(guān)產(chǎn)品，如美國卡博特公司和廣州埃力生公司。通過控制氣凝膠顆粒大小和密度，可與普通無機(jī)材料復(fù)合制備保溫砂漿，按照所需比例要求用于墻體外保溫層材料、墻體夾芯保溫填充層材料等[16]。

　　2.2氣凝膠絕熱板

　　作為目前建筑墻體主要保溫材料的EPS、無機(jī)GF氈等[17]，普遍存在使用壽命短、嚴(yán)重的安全隱患等問題。作為新型絕熱材料的氣凝膠隔熱板(AIP)，則具有更好的安全性和更低的熱導(dǎo)率。目前常見的AIP有纖維氈/氣凝膠復(fù)合板[18]、三元遮光劑/纖維/氣凝膠復(fù)合板[19]和氣凝膠真空絕熱板[20]。

　　楊建明等[21]通過溶膠-凝膠法制備氣溶膠，再和GF氈結(jié)合得到復(fù)合凝膠，經(jīng)過老化和表面改性后，運(yùn)用常壓干燥技術(shù)制備出氣凝膠絕熱板。測(cè)試后得出，制備的AIP的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.0208W/(m·K)，較GF和EPS體現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。自行設(shè)計(jì)的盒內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在升溫條件下，AIP能延長升至最高溫的時(shí)間。AIP比傳統(tǒng)絕緣材料能夠更有效地降低溫度波動(dòng)。

　　2.3氣凝膠泡沫混凝土

　　在現(xiàn)代建筑中，熱量損失占了相當(dāng)大一部分建筑能耗，所以建筑隔熱能力和保溫能力的提高十分重要。氣凝膠泡沫混凝土由于良好的保溫性能和隔熱能力，且較其他泡沫混凝土更為輕質(zhì)，在現(xiàn)代建筑中有著重要的應(yīng)用[22-24]。在過去的10年中，SiO2氣凝膠被公認(rèn)為是建材中最卓越的超絕緣材料之一。

　　Gao等[25]通過在混凝土中加入60%體積分?jǐn)?shù)的氣凝膠，制備了密度為1000kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.26W/(m·K)的氣凝膠混凝土。Ng等[26]分析了氣凝膠混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與混凝土中氣凝膠含量的關(guān)系，基于此研究制備出導(dǎo)熱系數(shù)0.55W/(m·K)、氣凝膠體積分?jǐn)?shù)為50%的氣凝膠混凝土。

　　然而上述氣凝膠混凝土仍然表現(xiàn)出較高的密度和導(dǎo)熱系數(shù)。在混凝土中加入超絕緣氣凝膠雖然可以降低混凝土的密度和導(dǎo)熱系數(shù)，但效果比單獨(dú)加入泡沫更差。此外，氣凝膠的添加量非常高，增加了氣凝膠混凝土的高成本阻礙了其工程應(yīng)用。Li等[27]通過同時(shí)在混凝土中加入氣凝膠和泡沫，制備出一種新型三元?dú)饽�膠泡沫混凝土。由于氣凝膠非常輕且部分氣凝膠顆粒可以起到支撐作用，氣凝膠泡沫混凝土可以在保持與其他泡沫混凝土密度相同的同時(shí)，擁有更好的強(qiáng)度及成型性，并且導(dǎo)熱性得到有效降低。

　　氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低。與前幾位科研工作者所做的工作相比，在相同孔隙率下，氣凝膠泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和密度明顯較低，并且在相同密度下，氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度高于文獻(xiàn)[28-29]和中國標(biāo)準(zhǔn)JG-T-266-2011[30]中的數(shù)值。

　　2.4氣凝膠玻璃

　　玻璃外窗是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中必不可少的組成部分，其具有通風(fēng)、采光、增加美感等重要功能，可以很好地提高室內(nèi)人員的舒適度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整體建筑總熱量損失的40%～50%是由傳統(tǒng)建筑中的門窗所流失的[31]。傳統(tǒng)硅酸鹽玻璃雖具有較好的透光性和隔熱性，但遮陽系數(shù)及傳熱系數(shù)都比較大，無法顯著降低建筑能耗。而新型的氣凝膠材料玻璃則在這兩大性能上同時(shí)做出了一定的改進(jìn)。

　　氣凝膠因其特有的熱學(xué)性能，可以減少室內(nèi)熱量向外部擴(kuò)散，同樣可以阻止外部熱量向室內(nèi)傳遞，達(dá)到良好的保溫隔熱效果。同時(shí)其透光性良好，不會(huì)對(duì)室內(nèi)的采光造成影響。陳友明等[32]通過實(shí)驗(yàn)將氣凝膠填充至兩層普通玻璃板間，與中空玻璃板和氣凝膠玻璃進(jìn)行對(duì)比。

　　通過設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，利用太陽總輻射儀、照度儀以及散射輻射儀等相關(guān)儀器來測(cè)定玻璃板兩側(cè)的太陽總輻射、光照強(qiáng)度和散射輻射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣凝膠玻璃不會(huì)改變太陽輻射的變化趨勢(shì)，采光效率不會(huì)改變，但相比于中空玻璃，氣凝膠玻璃能有效減少通過的總輻射，同時(shí)增加散射輻射。

　　實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了室內(nèi)可見光照度，通過對(duì)比氣凝膠玻璃側(cè)以及中空玻璃側(cè)，參考《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[33]，測(cè)得的氣凝膠玻璃采光系數(shù)大于20%，高于標(biāo)準(zhǔn)的5%，說明氣凝膠玻璃不會(huì)影響采光效果。與此同時(shí)，氣凝膠玻璃側(cè)的室內(nèi)幾乎沒有太陽直射輻射，所以室內(nèi)的光線相比于中空玻璃側(cè)更加柔和，可以達(dá)到護(hù)眼的效果。

　　3結(jié)語與展望

　　傳統(tǒng)建筑材料因密度大、熱導(dǎo)率高、安全性能不足、使用壽命短等問題，不符合當(dāng)前綠色可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能降耗的要求，嚴(yán)重影響建筑行業(yè)未來的發(fā)展。需要開發(fā)性能更優(yōu)和使用體驗(yàn)更好的新型建筑材料。氣凝膠作為一種新型材料，密度低、耐高溫、孔隙率高、透光性好、隔音減震等優(yōu)異性能為其在建筑行業(yè)的應(yīng)用帶來了更多的可能性。

　　目前，氣凝膠主要存在成本高、制備周期長的問題，阻礙了其開發(fā)和生產(chǎn)推廣。在建筑領(lǐng)域，需要低成本、高性能的材料，氣凝膠材料需要開發(fā)更加廉價(jià)的原料和制備工藝，使其能夠工業(yè)化生產(chǎn)。氣凝膠優(yōu)異的保溫隔熱性能和更多潛在性能使其在建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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