氣凝膠材料在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

　　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

　　2005年，建筑業(yè)的能耗占中國(guó)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�？煞譃檠趸�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(guó)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(guó)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(guó)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，其制備流程如圖1所示。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(guó)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(jiǎn)易性，可推出商用型氣凝膠顆粒，國(guó)內(nèi)外都有公司推出相關(guān)產(chǎn)品，如美國(guó)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]。

　　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�？梢云鸬街�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(guó)標(biāo)準(zhǔn)JG-T-266-2011[30]中的數(shù)值。

　　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(zhǎng)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。

　　建筑工程師評(píng)職稱論文范文：新型建材在建筑工程中的應(yīng)用研究

　　摘要：隨著科技的進(jìn)步，建筑行業(yè)也是迅速的發(fā)展。而一個(gè)行業(yè)的發(fā)展的一種重要標(biāo)志就是材料的發(fā)展，新型材料的革新，能夠?qū)σ粋�(gè)行業(yè)起到很強(qiáng)的推動(dòng)作用。本文主要介紹現(xiàn)階段發(fā)展較為成熟的新型建筑材料，并對(duì)其在土木工程的應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)做了簡(jiǎn)單的闡述。針對(duì)新型建材的應(yīng)用，本文提出了一些較為有用的措施，保證這些新型材料更好的在土木工程中應(yīng)用。

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