气凝胶应用于墙体保温材料的研究进展

赵建伟 尚阳 崔杰

1 引言

随着我国社会经济的快速发展，能源消耗问题越发凸显，这与我国可持续发展战略不符。其中，建筑能耗是社会总能耗的重要组成部分之一，其占比达到46.5%以上。此外，我国建筑节能设计标准要求正在逐年提高，部分地区已开始执行《居住建筑节能设计标准（节能75%）》标准。2020年，习近平总书记提出“中国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现‘碳中和”。为实现这一目标，占全国碳排放比重50%以上的建筑行业，急需开发出新型高效节能建筑材料，而新型墙体保温材料的研究和开发是降低建筑能耗的有效途径。

目前，传统的建筑墙体保温材料主要分为无机材料和有机材料2大类，常用的有机绝热材料有聚苯乙烯泡沫（EPS）、挤塑聚苯乙烯板（XPS）、酚醛板（PF）、硬泡聚氨酯板（PU）等材料，存在防火性能差，难以达到A级防火，燃烧易产生毒气的安全问题[1—3]。常用无机绝热材料有玻璃纤维、矿物棉、膨胀珍珠岩等，可防火阻燃，但存在防水性能差、自重高、导热系数高等问题[4]。因此研发兼具防火、保温、轻质等性能的新型高效节能墙体保温材料至关重要。

气凝胶是一种特殊的纳米级三维网络结构固体材料，以空气为介质，具有纳米级孔洞，高孔隙率（80%～99.8%），低至3kg/m3的密度，高绝热能力〔导热系数为0.005W/（m·K），室温〕，低折射率和低介电常数等特点[5]。优异的特性使之在很多领域具有极大的应用潜力，例如建筑节能、航空航天、炉窑保温、能源、输油管道、环保、太阳能集热等领域[6]。近年来，二氧化硅（S i O2）气凝胶常压干燥工业化生产工艺不断成熟，产业化规模不断扩大，工业化制备的气凝胶性能不断提升，已涌现出气凝胶粉体、毡、涂料、玻璃等产品，为气凝胶在建筑节能领域的应用提供了可能性。因此，性能优异的气凝胶得到了相关研究人员的青睐，同时也推动了气凝胶在建筑节能领域应用的深入研究。

2 气凝胶墙体保温材料研究进展

2.1 气凝胶保温砂浆

传统保温砂浆存在密度大、保温性能差的缺点，虽采用玻化微珠、膨胀珍珠岩等轻骨料作为保温材料，但砂浆整体保温效果不佳，导热系数偏高[7]，将超低密度、导热系数的气凝胶与其他轻骨料结合使用，开发质轻、保温效果好的砂浆成为新的研究热点。

Kim等[8]按水泥质量的2%添加气凝胶时，结果表明，砂浆导热系数降低幅度高达75%，但力学性能损失严重，或与气凝胶机械性能差的特性有关。

研究表明，将气凝胶作为轻骨料单独添加，绝热能力有所提升，但会导致保温砂浆的力学性能严重损失。

封金财等[9]将硅气凝胶与玻化微珠按不同体积比混合形成骨料，添加到水泥、粉煤灰、可再分散乳胶粉、聚丙烯纤维和甲基纤维素醚等材料混合形成的浆体中，发现当气凝胶与玻化微珠以体积比为35%∶65%混合形成骨料，当掺量占保温砂浆总体积比为60%时，保温砂浆的保温性能和物理力学性能达到最优，表明气凝胶取代部分玻化微珠，能够提升砂浆的保温性能，同时满足力学性能要求。彭罗文等人[10]对SiO2气凝胶/玻化微珠保温砂浆性能影响因素进行了研究，其中当气凝胶与玻化微珠的体积比增大时，保温砂浆的导热系数呈下降趋势，与气凝胶具有超低导热系数的性能一致。

韩金光等[11]采用真空吸入法使液溶胶吸入膨胀珍珠岩，经老化、疏水改性、常压干燥后，得到气凝胶改性珍珠岩骨料，制出砂浆的抗压强度和吸水率明显优于珍珠岩砂浆，导热系数优于玻化微珠保温砂浆。梅阳等人[12]将溶胶真空吸附到膨胀珍珠岩的内部孔隙中，经凝胶老化、疏水改性和常压干燥制备出膨胀珍珠岩/SiO2气凝胶复合保温材料。经测试，膨胀珍珠岩/SiO2气凝胶（TEOS为硅源）复合材料导热系数为0.038W/（m·K），降低了24%，膨胀珍珠岩/SiO2气凝胶（混合硅源）复合材料导热系数为0.036W/（m·K），降低了28%。

由于气凝胶密度小、疏水性强，在气凝胶添加过程中会出现飞粉及相容性差的问题，因此，有研究人员通过气凝胶改性的方式解决该问题。刘朝辉等人[13]利用硅烷偶联剂KH550改性SiO2气凝胶，增加与无机胶凝材料的相容性，采用等体积法替换砂浆中的沙，制备SiO2气凝胶砂浆，导热系数从0.6039W/（m·K）降至0.2248W/（m·K）。

经研究，表明将气凝胶与其它保温砂浆骨料进行复合，在满足力学性能基础上，可降低传统保温砂浆的导热系数和密度。

2.2 气凝胶复合保温板/毡

孙智等[14]分别以新型气凝胶隔热材料（SiO2气凝胶/玻璃纤维复合毡）与4种常用隔热材料（如模塑聚苯板、挤塑聚苯板、聚氨酯泡沫板、玻璃纖维毡等）为保温层，采用小尺寸测试盒。结果表明，气凝胶绝热板对温度波的延迟和隔热性能均明显优于传统隔热材料。

钟支葵等[15]进行了硅酸铝纤维气凝胶复合材料对钢结构的防火性能研究，使用硅酸铝纤维气凝胶复合材料，进行了1h钢结构防火保护测试，3mm、6mm和12mm厚的防火保护材料对应的钢板侧温度分别为121.6℃、96.2℃和78.2℃，远低于钢板软化温度（550℃），表明硅酸铝纤维气凝胶复合材料对钢结构具有良好的防火性能。

赵诚斌等[16]采用悬浮聚合法，在制备聚苯乙烯颗粒的过程中，添加SiO2气凝胶，合成核壳结构的SiO2气凝胶与聚苯乙烯复合可发性珠粒，形成气凝胶/聚苯乙烯复合板材。结果表明导热系数降低，气凝胶添加量为1.6%～2.0%时，导热系数由纯聚苯乙烯板的0.043W/（m·K）降为0.0248W/（m·K），并提升了保温板阻燃性能。

杜柯等[17]以蜂窝结构聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）板为支撑结构，在不同孔隙率的蜂窝板中添加气凝胶，制备出气凝胶蜂窝保温绝热板。经测试，导热系数比未添加气凝胶的XPS板降低19.6%～27.6%，提升了传统XPS板保温效果。

经研究表明，利用气凝胶制备复合板材，能够有效降低导热系数，同时提升防火性能。

2.3 气凝胶真空绝热板

气凝胶真空绝热板（HVIP）是采用纳米孔超级绝热材料（纳米气凝胶、纳米气相二氧化硅）作为芯材，产品导热系数标准要求为达到0.006W/（m·K）以下，达到了普通XPS板的7倍左右，拥有十分突出绝热性能[18]。

梁玉莹等[19，20]采用常压干燥和抽真空工艺制备了气凝胶复合材料真空绝热板，基于理论计算模型，研究了气凝胶密度、纤维含量与热导率之间的关系，气凝胶复合材料真空绝热板导热系数可低至0.0035W/（m·K）。同时，由于真空绝热板在建筑应用过程中内部气体压力和水蒸气含量增加，导致隔热性能降低，使用寿命缩短，仅为5～25年，基于理论计算模型，继续开展了气凝胶密度、纤维含量对热导率、隔热厚度和使用寿命的影响规律的研究，预测获得了满足建筑用真空绝热板的气凝胶密度和纤维含量的范围，能够达到满足使用寿命大于50年的目标。

2.4 气凝胶泡沫混凝土

泡沫混凝土是一种多孔轻质混凝土，通过一定的工艺将水泥、矿物掺合料、外加剂、发泡剂和稳泡剂按配比制备而成[21]，具有防火阻燃、轻质、保温效果好、吸音降噪、抗震等优点[22，23]，但存在导热系数过大，低密度低导热率时成型易塌陷等问题。针对泡沫混凝土存在的问题，有科研人员已经利用气凝胶优异的特性，开展了气凝胶发泡混凝土的研究工作，在满足发泡混凝土相关标准要求的基础上，希望进一步提升保温隔热效果。

刘朋等[24]通过设计正交试验，研究了发泡剂、SiO2气凝胶、纤维掺量及水胶比等4因素对泡沫混凝土的性能影响，制备气凝胶发泡混凝土，干密度为673.12kg/m3、导热系数为0.162W/（m·K）、抗压强度为4.12MPa，能够满足相关标准设计指标要求。

赵同义等[25]通过控制SiO2气凝胶掺量进行了气凝胶泡沫混凝土的研究。结果表明，SiO2气凝胶的掺入能够降低泡沫混凝土的体积密度和导热系数，明显提升泡沫混凝土的热工性能。

付平等[26]研究制备了一种新型超轻质纤维/气凝胶泡沫混凝土，以玻璃纤维为增强体，提升了整体成型性能，在制备工艺中起到了关键作用。研究表明，与普通泡沫混凝土相比，导热系数从0.08～0.25W/（m·K）降至0.058W/（m·K），密度从300～1600kg/m3降至205kg/m3，性能显著提升。同时，抗压强度满足泡沫混凝土标准要求。

李朋威等[27]成功地制备了一种具有多级孔结构的新型气凝胶泡沫混凝土，经测试，密度最小可达198 kg/m3，导热系数最小可达0.049W/（m·K），并且满足标准要求的力学强度，远低于普通泡沫混凝土的密度和导热系数。

研究表明，经气凝胶复合制备的气凝胶发泡混凝土可以明显降低轻质泡沫混凝土密度和导热系数，同时满足力学强度的标准要求，能够解决低密度低导热系数时成型易塌陷的问题。

3 结语

气凝胶应用于建筑墙体保温材料的主要形式包括气凝胶保温砂浆、气凝胶绝热板/毡、气凝胶真空绝热板、气凝胶泡沫混凝土等，由于气凝胶具有防火、防水、轻质、吸音、隔热等一系列优异的性能，是适用于高效节能建筑的理想材料。研究表明，应用于建筑墙体保温材料，能够有效提升保温隔热能力，降低密度，改善防火能力。但气凝胶存在力学性能差的缺陷，单独使用存在困难，因此，不能完全替代传统保温材料，多采用与传统保温材料复合的方式，开发出新型墙体保温材料，以满足力学性能的要求。

在建筑节能迫切发展的需求下，采取一定的工艺，将气凝胶与传统墙体保温材料复合，研究开发应用于建筑墙体的气凝胶复合保温材料将是未来建筑节能发展的重要方向。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.011

参考文献

[1] Schiavoni S，Alessandro D F，Bianchi F，et al.Insulation materials for the building sector：A review and comparative analysis[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，62：988—1011.

[2] Jelle B P.Traditional，state-of-the-art and future thermal building insulation materials and solutionsProperties，requirements and possibilities[J].Energy and Buildings，2011，43（10）：2549—2563.

[3] 王巖，王祎玮，白锡庆，等.墙体保温材料的现状及其发展趋势[J].天津建设科技，2017，27（01）：1—3，11.

[4] 张广鹏，吴会军，刘彦辰，等.氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用[EB/OL].（2021-03-04）.https：//kns.cnki.net/ kcms/detail/detail.aspx dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=WJYG20210303000&v=FkiblUA8T4YI3BxWmCHueEqx 0LQ7lAXrw%25mmd2BCXmEM52AVyNHeCIVYPG%25mmd2FlXtexCMRmx.

[5] Dorcheh A S，Abbasi M H.Silica aerogel；synthesis，properties and characterization[J].Journal of Materials Processing Technology， 2008，199（1—3）：10—26.

[6] 郭建平，路国忠，何光明.纳米二氧化硅气凝胶新型制备技术及其在建材领域的应用[J].新材料产业，2012（4）：30—34.

[7] 邱小华，徐清.浅谈无机保温砂浆及发展趋势[J].建筑节能，2007（10）：39—41.

[8] Kim S，Seo J，Cha J，et al.Chemical retreating for gel-typed aerogel and insulation performance of cement containing aerogel [J].Construction&，Building Materials，2013，40（3）：501—505.

[9] 封金财，王怡人，耿犟，等.骨料级配及掺量对硅气凝胶-玻化微珠复合保温砂浆性能影响的试验研究[J].混凝土，2018（4）：110—114.

[10] 彭罗文，艾明星，石永，等.影响二氧化硅气凝胶/玻化微珠保温砂浆性能的因素[J].新型建筑材料，2018，45（7）：64—67.

[11] 韩金光，李珠，贾冠华.膨胀珍珠岩的纳米气凝胶改性及其应用[J].科学技术与工程，2016，16（12）：136—140.

[12] 梅阳.膨胀珍珠岩/SiO2气凝胶复合保温材料制备研究[D].信阳师范学院，2017.

[13] 刘朝辉，丁逸栋，王飞，等.KH550改性SiO2气凝胶及其掺杂对砂浆性能的研究[J].装备环境工程，2017，14（1）：71—77.

[14] 孙智，吴会军，杨建明，等.建筑墙体用氣凝胶绝热板的隔热性能实验研究[J].建筑科学，2019，35（4）：10—14，75.

[15] 钟支葵.硅酸铝纤维气凝胶复合材料对钢结构的防火性能研究[D].广州：广州大学，2017.

[16] 赵诚斌.阻燃聚苯乙烯/硅气凝胶核壳珠粒的合成与复合保温板制备研究[D].西安：长安大学，2014.

[17] 杜柯，翁旭嘉，李煜丹，等.气凝胶蜂窝板保温材料的制备及性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（6）：83—86，95.

[18] 高军.HVIP气凝胶真空绝热板用于低能耗建筑的分享与探究[J].建设科技，2018（11）：61—62，66.

[19] 梁玉莹，吴会军，杨建明，等.气凝胶复合材料真空绝热板的热导率计算及优化[J].材料导报，2018，32（12）：2112—2117.

[20] 梁玉莹.气凝胶真空绝热板的隔热性能和寿命研究[D].广州：广州大学，2018.

[21] 张鸣，陈令坤，张云飞.掺和料对化学法泡沫混凝土性能的影响[J].新型建筑材料，2014（7）：79—81.

[22] 李应权，徐洛屹，王明轩，等.A级防火泡沫混凝土保温板[J].新型建筑材料，2012（2）：69—71.

[23] 李龙珠，夏勇涛，刘文斌，等.泡沫混凝土的正交试验研究[J].硅酸盐通报，2010，29（6）：1497—1500.

[24] 刘朋，龚延风，田国华，等.轻质气凝胶泡沫混凝土配合比试验研究[J].新型建筑材料，2020，47（10）：132—135，168.

[25] 赵同义，张启志.SiO2气凝胶对泡沫混凝土性能的影响[J].新型建筑材料，2018，45（9）：144—147，154.

[26] 付平，植可炜，黄茶，等.纤维/气凝胶泡沫混凝土的制备与性能研究[J].硅酸盐通报，2019，38（9）：2701—2706.

[27] 李朋威.新型超轻隔热气凝胶泡沫混凝土的制备、建模与优化[D].广州：广州大学，2019.