氣凝膠材料在建筑行業(yè)中的應用

　　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展，對其在建材領(lǐng)域的未來發(fā)展方向進行了展望。

　　關(guān)鍵詞:氣凝膠;建筑材料;保溫隔熱;熱導率;密度

　　2005年，建筑業(yè)的能耗占中國新增能耗達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、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。市場上常見的傳統(tǒng)無機保溫隔熱材料，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、高孔隙率、低密度等優(yōu)異特性[2]，遠遠優(yōu)于目前常見的傳統(tǒng)無機耐高溫材料。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，在面對火災等問題時存在嚴重的安全隱患。而氣凝膠材料具有優(yōu)異的阻燃性能。同時，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)的應用前景。

　　1氣凝膠的制備

　　氣凝膠材料是由納米級顆粒聚集成納米多孔結(jié)構(gòu)材料，是一種填充有膠體顆�；蚓酆衔锓肿�、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80年代，Pekala等[8]研究制備出了間苯二酚/甲醛有機氣凝膠。在1992年國際材料工程會議上，Hunt等學者首先提出了超級絕熱材料的相關(guān)話題[9]。

　　之后，西方發(fā)達國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。國內(nèi)對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、性能檢測和應用開發(fā)方面取得了很多成果和經(jīng)驗。1999年，張敬暢等[10]通過用廉價的無機鹽為原料，結(jié)合溶膠-凝膠法和超臨界干燥制備出了納米級的TiO2氣凝膠。

　　2019年，楊鎮(zhèn)源等[11]采用預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)變和干燥兩個階段，通過前驅(qū)體在適當催化劑的作用下發(fā)生化學反應得到濕凝膠，再通過干燥制備出氣凝膠，其制備流程如圖1所示。絡合粘結(jié)得更加穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)中的連接網(wǎng)絡部分更加粗壯，進而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在之后的干燥過程中，不會因凝膠結(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，老化一周左右的時間，期間定期更換老化液。

　　老化后的凝膠需要進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，因此改良氣凝膠的制備工藝是目前氣凝膠應用開發(fā)的主要方向[12]。

　　2氣凝膠的應用

　　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用前景，目前已有部分產(chǎn)品進入市場。

　　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)報道，美國烏爾里克·鮑爾等已制備出粒徑小于1μm的氣凝膠顆粒(專利號為CN200880015808.X)。因其制備的簡易性，可推出商用型氣凝膠顆粒，國內(nèi)外都有公司推出相關(guān)產(chǎn)品，如美國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，可與普通無機材料復合制備保溫砂漿，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GF氈等[17]，普遍存在使用壽命短、嚴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率。目前常見的AIP有纖維氈/氣凝膠復合板[18]、三元遮光劑/纖維/氣凝膠復合板[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用[22-24]。在過去的10年中，SiO2氣凝膠被公認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%體積分數(shù)的氣凝膠，制備了密度為1000kg/m3、導熱系數(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熱系數(shù)0.55W/(m·K)、氣凝膠體積分數(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熱系數(shù)，但效果比單獨加入泡沫更差。

　　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用。Li等[27]通過同時在混凝土中加入氣凝膠和泡沫，制備出一種新型三元氣凝膠泡沫混凝土。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，擁有更好的強度及成型性，并且導熱性得到有效降低。氣凝膠泡沫混凝土的導熱系數(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度高于文獻[28-29]和中國標準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、熱導率高、安全性能不足、使用壽命短等問題，不符合當前綠色可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能降耗的要求，嚴重影響建筑行業(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)域具有廣闊的應用前景。

　　建筑工程師評職稱論文范文：新型建材在建筑工程中的應用研究

　　摘要：隨著科技的進步，建筑行業(yè)也是迅速的發(fā)展。而一個行業(yè)的發(fā)展的一種重要標志就是材料的發(fā)展，新型材料的革新，能夠?qū)σ粋�行業(yè)起到很強的推動作用。本文主要介紹現(xiàn)階段發(fā)展較為成熟的新型建筑材料，并對其在土木工程的應用及其優(yōu)點做了簡單的闡述。針對新型建材的應用，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用。

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