新型复合建筑材料SiO2气凝胶在土木工程应用探析*

张 莉，刘洁玲

（陕西能源职业技术学院 建筑与测绘工程学院，陕西 咸阳 712000）

近年来，全球整体能源消耗不断增长的趋势影响着建筑材料的发展方向。据统计，2016年全球建筑耗能约占全球总能源消耗的30%，并排放了占比28%的CO2排放量[1,2]。建筑物外墙（比如：地板，屋顶和墙壁等材料）的热性能是控制建筑能耗的主要因素，所以减少建筑能耗的常见策略是在墙壁和屋顶中加入隔热材料[3,4]。这一举措在现阶段是通过减轻外部热量损失从而达到节能减耗的最有效方法之一。保温材料除了需要拥有极低的导热率特性外，场地适应性、机械强度、透明度、耐久性、回弹性、防火性、环境危害性以及经济性等其他材质特性对于评估绝缘材料是否适用于建筑保温材料也是至关重要的[5,6]。近年来，真空隔热板、低辐射率的玻璃隔热薄膜、多孔结构的泡沫珍珠岩保温材料和气凝胶保温材料等几种新型的超绝热材料由于其高保温性能被广泛应用于建筑保温材料中[7,8]。其中气凝胶保温材料用途最为广泛，气凝胶不仅在建筑物外墙材料、保温材料中用作气凝胶玻璃和气凝胶绝热毡，也可以用于建筑结构材料中的支撑材料[9,10]。

尽管气凝胶可能具有多种成分，但SiO2气凝胶由于其具有热超绝热功能，易于生产和高成本效益等特性受到科研工作人员的青睐[11]。SiO2气凝胶是1930年代由塞缪尔·斯蒂芬·基斯特勒首次生产的，SiO2气凝胶由一条珍珠项链状的SiO2连接链的内部结构组成。该结构具有大量的空气填充孔（孔隙率通常在90%以上），大部分在中孔范围内。这种大而细的孔隙率可确保其具有非常高的比表面积（500～1200m2·g-1）、低密度（0.0～0.3g·cm-3）、超绝热性能（0.012～0.025W·（m·K）-1）、超低介电常数（k=1.0～2.0）和低折射率（～1.05）等特性[12]。由于其非凡的性能，特别是低导热性和光学透明性，使SiO2气凝胶在建筑物材料中应用广泛，尤其是用于节能减耗。

本文介绍了SiO2气凝胶的制备及改进方法，并调研了各科研工作人员于近年来所开发及应用的含SiO2气凝胶的建筑材料，总结了其用于在建筑领域的未来发展趋势和现阶段的挑战，以期为SiO2气凝胶用作建筑材料的发展提供参考资料。

1 SiO2气凝胶保温材料的制备与结构强化

SiO2气凝胶是一种以硅氧原子为骨架的纳米材料，是全世界已知的最轻的固体材料。由于其独特的三维网络结构，使得气凝胶具有高比表面积、低表观密度以及极低的导热系数等独特性质，在热学、光学及其他领域都有广阔的应用。

1.1 SiO2气凝胶的制备

传统的制备SiO2气凝胶的方法是以正硅酸乙酯为硅源，通过超临界干燥技术对凝胶进行干燥制备SiO2气凝胶，但该制备方法相对复杂，对实验设备要求极高，并且正硅酸乙酯是一种有毒物质，不利于实验操作。使用水玻璃作为硅源，常压干燥法制备SiO2气凝胶，由于其操作简便，经济环保，有利于气凝胶的工业化生产，成为当前气凝胶研究的热点。SiO2气凝胶的低成本常压干燥制备技术制备流程见图1[13]。

图1 SiO2气凝胶的低成本常压干燥制备技术流程Fig.1 Preparation process of low-cost atmospheric drying technology for silica aerogel

1.2 SiO2气凝胶的结构强化

天然SiO2气凝胶的主要缺点是其固有的脆性，这大大限制了它的实际应用。因此，相关科研工作者对使用不同材料复合补强天然SiO2气凝胶的力学特性做出了许多研究。表1列出了现阶段用于补强SiO2气凝胶研究方向、主要材料及对应的优缺点。

表1 SiO2气凝胶力学特性补强方向总结Tab.1 Summary of reinforcement direction of mechanical properties of silica aerogel

由表1可见，现阶段用于补强SiO2气凝胶研究方向主要包含纳米材料复合法、表面衍生法、原位聚合法、共硅前驱体法和纤维复合等方法。其中纳米材料复合法[14]即是将纳米结构结合到SiO2结构网络中。如将碳纳米管复合到SiO2气凝胶材料中可以显著改善其机械性能，而相较于普通的硅基气凝胶，其密度和疏密度不受影响。表面衍生法[15]则是通过在SiO2气凝胶材料的表面基团添加六甲基二硅氧烷凝胶、甲苯二异氰酸酯等改性剂提高其力学稳定性和透明单，该方法的显著特点是不会改变内部SiO2颗粒和结构。原位聚合法[16]即是在SiO2气凝胶材料中添加聚苯乙烯、聚丙烯酸丁酯等聚合物基团，通过添加聚合物来提高SiO2气凝胶的机械抗力，同时保持较低的密度和导热系数。共硅前驱体法[17]即是使用一种初始混合物中具有非可水解基团的有机硅烷，例如MTMS中的甲基或TMSPM中的甲基丙烯酸丙酯，使得在合成的起始阶段即可得到整体键能较低且疏水性良好的柔性气凝胶。纤维复合法[18]也是一种常用于解决SiO2气凝胶材料脆弱性的方法。如纤维-CO2气凝胶复合材料可以在保持材料的低密度和高比表面积的条件下提高材料整体的机械性能，但这种材料在高温条件下稳定性较差。总而言之，各种复合方法均各有优点，需根据不同的使用场景选择材料结构枪法方法。

2 SiO2气凝胶建筑材料的应用

SiO2气凝胶由于其具有热超绝热功能，易于生产和高成本效益等特性而受到科研工作人员的青睐，在建筑材料的应用也较为广泛，如玻璃面板、隔热毡、绝热板、混凝土、隔热涂层等保温材料，本文针对这些材料的保温特性及应用情况作出总结。

2.1 隔热毡

SiO2气凝胶材料的隔热毡在建筑材料中的应用相对较为新颖，特别是针对存在空间和重量限制的特殊场景中或者管道保温等有保温隔热需求的应用场景。用SiO2制成的隔热毡具有比天然气凝胶更好的机械性能，同时不影响其优异的绝缘性能。对比传统保温材料，SiO2气凝胶绝热毡导热系数仅为传统保温材料的1/3～1/5，其保温隔热能力是传统材料的2～8倍[19]。

Liang等[20]的研究工作中通过调整气凝胶密度和纤维含量以优化SiO2气凝胶复合纤维毡导热性。在保持工作压力为1.0Pa的条件下，作者探究了50～200kg·m-3的不同气凝胶密度对复合纤维毡导热性的影响，由实验结果可知，有效热导率随密度增加而增加，此外实验过程中需要实时改变气凝胶厚度（从3.6mm改变为9.9mm）才可以保持U值不变为0.6W·（m·K）-1。此外当纤维含量为6.6%时可获得最佳导热系数即4.3W·（m·K）-1的导热率和5.6mm的厚度。通过控制气凝胶密度和纤维含量（密度低于90kg·m-3且纤维含量在6%～16%之间），以实现复合纤维毡使用寿命的有效延长，实验预期的最大使用寿命为63a。

2.2 混凝土

气凝胶混凝土由于其具有导热系数低（0.07～0.16W·（m·K）-1）、自重轻、隔热耐火等特点，在建筑材料中应用广泛。但由于外源材料的掺入，混凝土的力学强度会有所减低，所以如何保证混凝土力学强度的同时提高其保温性能成为科研工作人员现阶段面临的主要问题。

针对这个研究现状，S.Fickler等[21]开发了复合高性能SiO2气凝胶混凝土。通过调整SiO2气凝胶的含量占比可以获得不同强度不同导热系数的材料，如气凝胶在水泥基体中体积占比达60%时，复合SiO2气凝胶混凝土材料的密度为860kg·m-3，其抗压强度达到10MPa，且得到了最佳的导热系数0.17W·（m·K）-1。Liu等[21]采用了溶胶-凝胶技术、真空浸渍法和超临界快速干燥等3种技术制备了一种新型的用SiO2气凝胶增强的复合泡沫混凝土（FCSA）。复合(FC-SA)的导热系数比普通泡沫混凝土低48.4%，而保持良好的力学性能，其抗折、抗压强度分别为0.62和1.12MPa。除了对于材料的性能进行测试，作者还针对材料的保温性能进行了模拟实验，如在芝加哥的冬季，使用FC-SA材料可节约6.64%的能源。

2.3 隔热涂层

SiO2气凝胶城纳米多孔三维网状结构，由于其孔隙率高、比表面积极大，密度极低、导热系数较低等特点使之成为是目前可制备的隔热涂层中性能最好的产品之一。卢斌等[23]对SiO2气凝胶进行改性，然后制备出透明隔热涂料。并进行实验探究该隔热涂层在不同SiO2气凝胶含量占比条件下对其透光率的影响，由实验结果可知，SiO2气凝胶占比为20%时，该涂层的可见光透过率达90%，且涂层两侧的温差达10°C以上，说明该涂层在保证良好的透光率的条件下，具有较好的保温性能。汪慧[24]以改性SiO2气凝胶和苯丙乳液的混合材料作为极低制备了隔热涂料。当其中SiO2气凝胶含量为4%时，该涂层的隔热温差高达10°C，各项指标均符合标准要求，力学性能良好。此外丁逸栋等[25]制备了SiO2气凝胶复合型隔热涂层，发现当SiO2气凝胶为5%时，涂层的导热系数低至0.08W·（m·K）-1，太阳光反射率接近90%，说明其保温性能优异。

3 总结与展望

气凝胶是近几十年最有前途的保温材料之一。随着气凝胶科研工作的进展，如何将其与不同材料复合用于各种场景中以替换传统材料，成为现阶段的科研工作的重点。目前，将SiO2气凝胶复合至原建筑材料中以提高其保温特性已成为可能，但建筑材料中掺入SiO2气凝胶也会影响其机械性能。而保温性能和机械性能对于绝缘材料在建筑行业的应用均是必不可少的，需要折中在这些性能之间，确定一个较好的气凝胶的添加范围，以确保能在得到良好的保温性能的同时，也保持正常的力学性能至关重要。

最后，随着材料节能环保领域的发展，对材料多功能性提出了更多需求，目前SiO2气凝胶材料的多功能性仍存在不足，还需对SiO2气凝胶材料开展更系统的基础研究及实际应用研发，以满足材料节能环保的需求。