纤维素气凝胶半透明复合板用于节能幕墙产品的市场化研究

王晓晓 ，刘向峰 ，柴洋波 ，柳仲宝 ，王 婷

（1.南京林业大学 风景园林学院，南京 210037；2.天津大学 建筑学院，天津 300072；3.上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海 200032）

如当今我国社会经济迅速发展，能源消耗，特别是建筑能耗不断升高，2015年我国建筑能源消费总量已达8.57亿吨标准煤，约占全国能源消费总量的20%左右[1]。为实现可持续发展，采用新材料、新技术、新的运维方法实现建筑节能降耗，成为可持续发展领域的工作重点之一。气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔材料，具有高绝热、高比表面积、对气体选择性透过等特点，从诞生以来就长期用于航空航天、船舶和工业领域。近年来，随着气凝胶材料科学研究的不断深入和产业化发展，其成本逐渐降低，使气凝胶材料在建筑领域的应用也逐渐增多，如用于太阳能集热器盖板或设备管道的保温层等[2]。但将气凝胶集成在半透明复合板材中应用于建筑幕墙，目前还是一种新颖的节能幕墙技术概念，其技术可行性、建筑适用性及市场化价值都值得进一步深入研究。

一、气凝胶简介

气凝胶又称干凝胶，是一种用气体代替凝胶中的液体，而本质上不改变凝胶本身网络结构和体积的固态凝胶，是水凝胶或有机凝胶干燥后的产物，是已知世界上密度最小的固体，有“固态烟雾”之称。气凝胶于1931年由Kistler教授首先利用超临界流体干燥技术，以硅酸钠为原料制备成最初的二氧化硅气凝胶[3]。由于其制备过程烦琐、价格高昂等缺点，这种材料长期没有得到过多关注，直到溶胶—凝胶化学方法的发展和二氧化碳超临界干燥技术的出现，才使气凝胶制备进入实用化阶段[4]。20世纪80年代，美国Lawrence Livermore国家实验室的科学家们制备出以苯二酚/甲醛和三聚氰胺/甲醛缩聚物为代表的合成聚合物有机气凝胶，开拓了气凝胶研究的新领域[5]。Fung Fisher等2001—2006年对以纤维素衍生物为基础制备纤维素气凝胶进行了大量研究并取得了系列成果[6]，使得近年来纤维素气凝胶的研究成为行业热点之一。

气凝胶材料中有大量纳米尺度的微孔结构，使其具有80%～99.8%的超高孔隙率、0.003g/cm3～5g/cm3的极低表观密度、0.013W/mK～0.025W/mK的极低导热系数、100m2/g～1 600m2/g的高比表面积，在热学、光学、声学、过滤与催化、吸附、高速粒子捕获和电子领域有着广泛的用途[7]。气凝胶的制备有溶胶—凝胶过程和超临界干燥处理过程。在溶胶—凝胶过程中，通过控制溶液的水解和缩聚反应条件，可在溶体内形成不同结构的纳米团簇；团簇之间相互粘连可形成固态骨架和剩余试剂组成的凝胶体。同时，气凝胶制备过程中应充分考虑合理的干燥技术。为防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构破坏，一般采用超临界干燥工艺，即把凝胶置于压力容器中加温升压，使凝胶内的液体发生相变，随着气液界面消失，表面张力也消失，成为超临界态流体。将超临界态流体从压力容器中释放后，即可得到具有纳米量级连续网络结构的气凝胶。

根据成分不同，气凝胶可分为无机气凝胶、有机气凝胶、无机有机复合气凝胶。无机气凝胶如二氧化硅气凝胶，有机气凝胶如各种合成聚合物气凝胶和碳气凝胶，无机有机复合气凝胶如聚合物/二氧化硅复合气凝胶、纤维素/二氧化硅复合气凝胶等。一般无机气凝胶比较脆，易碎，属非可燃材料；而有机气凝胶，特别是纤维素气凝胶的韧性较好，但热稳定性较差，有一定的使用温度限制。

纤维素气凝胶属于无机气凝胶和聚合物气凝胶之后出现的新型气凝胶材料，其本质是安全可降解的植物成分。原材料可取材于植物纤维，一种自然界最丰富的生物质原料，来源广泛。纤维素气凝胶在保持气凝胶材料绝热保温等特性的同时，还拥有专属于纤维素气凝胶的特性：生物相容性和可降解性[6]，是一种极具发展潜力的生物类聚合物材料。纤维素气凝胶根据制备方法和材料主要分三类：天然纤维素气凝胶、再生纤维素气凝胶和纤维素衍生物气凝胶。尽管纤维素气凝胶目前还没有产业化，但近年来研究人员开发出很多低成本制造纤维素气凝胶的技术，可用天然木材、回收木料或其他纤维材料为原料，制造出具有良好机械压缩性、耐脆性和保温性的纤维素气凝胶。例如，美国马里兰大学帕克分校的科学家们开发的纤维素气凝胶，垂直于纤维素排列方向的导热系数为0.028W/mK，接近常用二氧化硅气凝胶0.02W/mK的导热系数[8]，表明纤维素气凝胶和硅气凝胶具有类似的传热性能，用于半透明幕墙复合板时可表现出相近的保温能力。但从原材料丰富程度和制备方法经济性上看，纤维素气凝胶无疑更有优势。

二、气凝胶材料的产业化现状

气凝胶具有超低传热系数，使其成为传统保温绝热材料，如岩棉、玻璃棉等纤维多孔材料，聚氨酯、聚苯等发泡材料的理想替代品，因此国内外气凝胶产业化发展大多围绕其绝热应用展开，气凝胶热利用技术产业化发展比较成熟。特别是在航空航天、车辆船舶、精密仪器、石油化工、电力冶金领域，温差大、绝热要求高、安装空间有限的环境中，大多情况下只有利用气凝胶材料才能达到设计要求。因此，这些行业领域的发展，为气凝胶产业发展带来客观需求，对单位价格高的气凝胶材料接受度较高。

不同的是，在建筑工程和服装鞋帽生产领域，因为单位产品的价值量相对较低，可替代材料又较多，因此对气凝胶材料的单价比较敏感，导致长期以来在建筑工程和服装鞋帽生产领域中大规模应用气凝胶的案例相对较少。不过伴随着我国经济结构的转型升级，特别是城镇化加速，节能降耗政策趋严，实施多年的纳米材料战略的持续推进，以及气凝胶产业化的深入，技术升级和成本降低，建筑领域正在成为气凝胶产品应用的重要领域之一，这也会成为我国气凝胶产业化发展新的增长点。得益于巨大的市场需求潜力，当前我国大学和各研究机构对气凝胶技术的研发非常重视，我国企业也对低成本气凝胶技术的产业化投入了很多资源，使得目前我国在气凝胶材料研发和市场化方面均具有自己的部分核心技术和一定的国际影响力。为规范行业发展，提升产品质量，我国于2017年研究制定出了第一部气凝胶产品国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》（GB/T34336-2017），并于2018年9月1日实施[9]。

（一）国外气凝胶市场

Allied Market Research公司于2014年发布的报告显示，全球气凝胶的市场价值将由2013年的2.218亿美元，增长到2020年的18.966亿美元，预测期内的年复合增加率达36.4%[10]（见图1）。但随着中国气凝胶产业成熟壮大，全球气凝胶行业发展速度将加快。

费里多尼亚集团的《2011年全球隔热材料报告》显示，目前全球绝热材料市场规模达321亿美元，未来年增长率为6.3%，市场广阔。而目前气凝胶材料在整个绝热材料市场中的规模微不足道，约有0.5亿美元，这说明气凝胶产业仍然处在早期的起步阶段，随着时间推移其未来发展前景巨大[10]。可见，当前国际市场上制约气凝胶产业发展的主要因素还是其较为昂贵的价格，一旦气凝胶制备成本降低，将大大促进其生产，市场规模会急剧扩大，产销量会大幅提升，快速替代传统绝热材料。

（二）国内气凝胶市场

相较于国外市场，国内气凝胶市场起步较晚，前期主要依靠进口，销售国外生产的气凝胶，进口产品及外资企业产品长期占据国内市场，进口量有限以及价格高的问题一度是制约国内气凝胶市场发展的重要因素。同时，由于市场推广度不高，使用者更倾向于使用传统保温材料。

而随着国内气凝胶产业的不断发展，行业企业不断增多，实力不断增强，气凝胶的产量不断提升，成本不断下降。目前，气凝胶行业是我国与世界同行技术发展基本同步且具有一定竞争力的产业领域。数据显示，2016年，我国的气凝胶产量约为1.83万吨，年均增速在25%左右[11]（见图2），保持着较高的增长率，气凝胶市场的发展前景可观。

图2 国内气凝胶市场规模

目前，国内气凝胶材料需求主要集中于航天航空、军事等军用领域；民用领域的石油化工、轨道交通、电力工业、矿井及城镇热力管网已经形成了一定的市场规模；建筑节能、服装鞋帽领域开始少量试用。随着我国气凝胶材料市场价格不断下降，使用气凝胶材料的成本费用几乎接近传统高质量保温材料的价格区段；加上气凝胶材料具有节能等优点，比之传统材料更胜一筹，气凝胶材料在建筑领域的应用也将逐步扩大。预计2020年我国国内气凝胶市场总额将达到37.16亿元，其中建筑节能领域将达到10.59亿元，约占总量的28%[11]（见图3）；建筑节能工程中的使用量预计为66 000m3～71 000m3（约可覆盖660万m2～710万m2的建筑墙体、屋面或其他围护结构）。2017—2018年国内气凝胶行业主要企业及市场上代表气凝胶产品类型、产量、主要性能参数及报价信息如表1所示。大部分厂家通过与国内研究机构合作，或自有研究机构的努力，都具有气凝胶研发生产能力。产品以二氧化硅基气凝胶为主，主要是各种纤维复合二氧化硅气凝胶毡，目前国内市场上还未见产业化的纤维素气凝胶产品。

图3 2020年国内气凝胶市场各领域应用份额预测

（三）气凝胶适用性特点及在建筑幕墙中的应用

1.传统气凝胶与纤维素气凝胶在建筑领域的适用性。这里的传统气凝胶主要指以二氧化硅为代表的无机气凝胶、各种有机聚合物气凝胶，以及无机有机复合的不具有可降解性和生物相容性的气凝胶。二氧化硅基气凝胶一般通过溶胶—凝胶法制备，工艺技术成熟；相对纤维素气凝胶的优势之一在于其是非可燃材料，很容易达到A级耐火，因此二氧化硅基气凝胶应用于建筑领域受温度限制比较小，目前产量与用量最大。不利之处在于其材料脆性，不如纤维素气凝胶韧性好，易碎，因此用于建筑产品需要复合构造保护。

表1 国内主要气凝胶厂家统计及国内市场上气凝胶产品统计（2017—2018年）

纤维素气凝胶与传统气凝胶相比其保温性能接近，绝热能力并没有相对优势。且纤维素气凝胶温度稳定性较差，耐火等级低，因此使用环境温度受到一定限制。同时，材料强度比较低，也需要复合构造保护。相对于硅基气凝胶，纤维素气凝胶的优势之一在于原料来源广泛，虽然目前产业化技术不成熟导致其价格高昂，但是一旦产业化成熟，其产品单位价格应比硅基气凝胶更低，潜在的经济性更好。相对于航空航天船舶工业等领域，民用建筑单位面积造价低的多。目前制约气凝胶材料在民用建筑领域大规模应用的瓶颈依然还是经济性因素，纤维素气凝胶可能提供一种更经济的解决方案。

2.纤维素气凝胶半透明复合板材在节能幕墙中的应用。气凝胶材料单位面积造价较高，如果大量用于建筑，首先在幕墙保温领域使用从性价比上看是合适的。建筑墙面屋面常用保温材料，如聚苯板、聚氨酯发泡层、玻璃纤维保温毡等材料，单位面积价格约为5元/m2～30元/m2，远低于气凝胶材料的单位面积价格100元/m2～450元/m2，因此气凝胶用于建筑墙面屋面等不透明围护结构代替聚苯板等保温材料不经济。而建筑幕墙用的保温玻璃面板单位面积价格约为30元/m2～150元/m2，价格区间比较接近于气凝胶材料的价格区间。考虑到纤维素气凝胶产业化后可能带来的价格降低，以及气凝胶本身保温性比现有幕墙保温玻璃面板中空气间层更好，从而带来节能增益，把纤维素气凝胶，甚至造价较低的硅气凝胶用于高性能节能幕墙从性价比上看可能满足。

同时，国外气凝胶复合玻璃用于建筑节能窗的实验研究案例表明，气凝胶材料可有效提升建筑冬季节能性[12]，这与笔者的研究结论相似。通过热箱对比模型实验和计算机能耗模拟得到的结果表明，气凝胶半透明复合板用于建筑幕墙中能提升建筑冬季节能性，但对建筑夏季节能性几乎没有太大贡献，反而可能有负作用。比如，在以天津市为代表的寒冷地区采用半透明气凝胶复合板的36m2实验建筑，与同样透过率采用单层贴遮阳膜普通玻璃的同样实验建筑相比，年总热负荷密度可降低11.6Kwh/m2～21.5Kwh/m2，半透明气凝胶复合板相对于该普通玻璃可带来的建筑冬季热负荷降低约为31%～25%。假设该节能建筑冬季采用地源热泵或风冷热泵节能采暖技术，经测算，半透明气凝胶复合板相对于该普通玻璃可使36m2实验建筑每年节约57～183元的采暖电费。

但是采用半透明气凝胶复合板的36m2实验建筑与采用单层贴遮阳膜普通玻璃的同样实验建筑相比，年总冷负荷密度几乎一样，差值范围在-0.57Kwh/m2～0.02 Kwh/m2之间，变化率为-1.88%～0.53%。如果用空调制冷，则具有气凝胶半透明复合板的36m2实验建筑甚至比具有单层贴膜普通玻璃的同样建筑每年还多浪费0～4元空调电费，可见气凝胶半透明保温板在建筑夏季节能方面并没有作用。大量模拟研究数据表明，气凝胶半透明复合板在节能建筑幕墙中应用时有一定的地域限制。一般条件下，气凝胶半透明复合板在我国严寒气候区、寒冷气候区比较适用，是有潜力的节能技术；而在夏热冬冷、夏热冬暖和温和气候区其效能并不高，考虑到造价因素，气凝胶半透明复合板在这些地区可能并非高效适用的节能技术。总体而言，冬季耗能为主的气候区更适合采用气凝胶复合保温板的幕墙。

三、结论与展望

气凝胶作为一种新型轻质纳米多孔绝热材料，长期用于航空、航天、船舶、汽车等工业领域。纤维素气凝胶因其原材料来源广泛、可生物降解以及生物相容性等特点，成为有潜力的纳米新材料。目前，由于纤维素气凝胶产业化条件还不够成熟，传统的硅气凝胶材料依然是市场主流。随着我国气凝胶产业的发展，特别是近年来气凝胶企业生产能力的提升，以及纤维素气凝胶的逐渐产业化，市场上已经出现价格更低的新型气凝胶保温材料，并为在建筑领域大规模应用奠定了很好的基础。

以纤维素气凝胶为代表的低造价气凝胶半透明复合板从性价比角度而言，不太适合不透明建筑屋面墙面，而更适合用于建筑幕墙，以提升幕墙节能性。其在节能建筑幕墙中应用时还有一定的地域限制。一般条件下，我国严寒气候区、寒冷气候区比较适用气凝胶半透明复合板，以达到建筑节能的目的；而在夏热冬冷、夏热冬暖和温和气候区其带来的节能效果并不明显。考虑到造价和节能效能，冬季耗能为主的气候区的幕墙更适合采用气凝胶复合保温板。