王末英 湖北第二师范学院副教授
气凝胶材料从20 世纪30 年代被发现以来,已经经历了较长时间的发展,该材料具有良好的保温隔热性能。由于该材料制作工艺十分烦琐,同时技术要求标准非常高,初期主要应用在航天航空、军工等领域。随着现代科学技术的不断发展,对气凝胶材料的研究取得了较大进展,使得气凝胶材料被更多地运用到设备保温及管道保温等方面。在我国社会经济快速发展的推动下,建筑行业在21 世纪发展迅猛,建筑能耗总值占据了我国社会能耗总值的25%,数字十分惊人,加强建筑技能工程的发展十分紧迫。现阶段,我国建筑行业中常用的墙体保温方式是外墙外保温,由于保温材料是放置在墙体外侧,对保温材料的防火性能要求非常高,寻找一个保温性能好、防火等级高的外墙保温材料,是当下建筑外保温行业必须重视的问题。气凝胶材料能够同时满足保温与防火两大要求,是当下建筑保温材料的良好替代品,具有很好的发展前景和研究价值。
气凝胶是一种由超微离子组合而成的固态材料,分为碳系、硫系及硅系等多种类型,常见的有二氧化硅气凝胶、碳气凝胶等[1]。相比较其他材料,气凝胶材料不仅粒径非常小、密度非常低,而且拥有高比表面积、高气孔率等特征。此外,气凝胶材料的微观网络骨架和间隙都达到了纳米级别。在20 世纪30 年代初期,美国科学家Steven S. Kistler 运用超临界干燥方法获得了二氧化硅气凝胶[2]。
由于气凝胶中包含规模庞大的小气孔,并且这些气孔的尺寸均处于纳米级别,导致气凝胶材料具有高孔隙率、高比表面积的特征,使气凝胶导热系数不足0.015 W/(m•K),仅为0.013 W/(m•K),比空气的导热系数低许多[3]。图1为不同保温材料的导热系数,从图1 可以看出,除了气凝胶材料,其余保温材料的导热系数均明显高于空气,说明气凝胶在保温隔热上有着非常大的优势,也正因为如此,当下大量研究人员依旧在深入研究气凝胶材料。
图1 不同保温材料的导热系数
现阶段,我国气凝胶在建筑领域的应用非常少见,对气凝胶研究的工作重点依旧在探索高附加值产品上,如航天航空、军工及医疗等。在国外研究工作中,从21世纪初期就开始进行了建筑领域的气凝胶材料研究。现阶段主要研究工作主要集中在气凝胶节能窗、气凝胶涂料及气凝胶新型板材等方面。
表1 主流气凝胶产品与传统墙体保温材料的性能对比
现阶段,我国能使用的气凝胶材料主要有气凝胶绝热毡、气凝胶颗粒及粉体等,这些气凝胶材料在工业管道、机器保温、冶金以及航天等领域有着较为广泛的应用[4]。表1 为当下主流气凝胶产品与传统墙体保温材料的性能对比情况。
当下,气凝胶在建筑节能工程中的应用主要体现在节能门窗上。从当下建筑结构耗能构成来看,门窗的总耗能值达到了建筑总围护结构耗能量的30%~50%,其隔热保温节能性能非常差,直接影响整个建筑围护结构的节能效果[5]。此外,目前我国的门窗节能程度与国外许多国家相比较仍旧有限制的差距,在同等气候环境下,国外外窗单位能耗值仅为我国的40%左右,所以降低门窗能耗是提高建筑节能的重要举措。
气凝胶节能门窗拥有非常好的保温效果。通常,厚度25 mm 的双层玻璃的热传导系数为1.43 W/(m•K),但是相同厚度的气凝胶门窗的热传导系数仅为0.56 W/(m•K),并且能确保透光率在40%以上[6]。可见气凝胶节能门窗不仅拥有很好的隔热保温性,还具有良好的透光性,可以广泛使用到室内大型场所及泳池的采光屋顶上。
在国外许多国家,已经将气凝胶使用到房顶太阳能集热器上,主要体现在太阳能热水器及相关集热设施的保温上。通过气凝胶材料的应用,一方面提高了对太阳能的使用率,另一方面显著改善了太阳能与集热设施的实用程度。在太阳能的关键部件上运用气凝胶材料,如管路、储水箱等,其集热效率可以达到之前的2 倍,同时能避免热量流失。国外已设计出一款气凝胶真空集热器,在集热器的外表面填充了气凝胶材料,然而在填充过程中要控制好气凝胶材料的填充量,尽可能减小间隙,保证拥有良好的导热系数。
得益于气凝胶材料不同的结构特征,使得气凝胶材料具有良好的隔热保温性能、防火性能,能够有效满足现代建筑墙体保温要求。气凝胶材料能替换传统材料应用到建筑门窗、房顶太阳能集热器上,表现出良好的应用前景与使用价值。