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气凝胶材料在建筑行业中的应用

时间:2020年01月04日 所属分类:推荐论文 点击次数:

摘要:气凝胶材料是通过溶胶-凝胶法和特殊的干燥技术制备而得的一种新型材料,是一种具有低密度、低热导率、低折射率、高孔隙率等优良物理性能的纳米多孔材料。气凝胶的耐高温性能十分突出,在建筑材料领域拥有广阔的应用前景。介绍了气凝胶的制备过程,并且

  摘要:气凝胶材料是通过溶胶-凝胶法和特殊的干燥技术制备而得的一种新型材料,是一种具有低密度、低热导率、低折射率、高孔隙率等优良物理性能的纳米多孔材料。气凝胶的耐高温性能十分突出,在建筑材料领域拥有广阔的应用前景。介绍了气凝胶的制备过程,并且着重介绍了气凝胶材料在建材方面的研究进展,对其在建材领域的未来发展方向进行了展望。

  关键词:气凝胶;建筑材料;保温隔热;热导率;密度

建筑材料

  建筑材料论文范文:绿色建筑材料的发展与应用探究

  摘要:在我国大力倡导低碳、环保、节能等发展理念的形式下,建筑施工领域也越来越注重绿色建筑材料的使用。基于此,本文重点针对绿色建筑材料的发展与应用进行了详细的分析,以供参考。

  关键词:绿色建筑材料;发展;应用

  2005年,建筑业的能耗占中国新增能耗达35%[1]。伴随着环境问题的增多和能源问题的不断恶化,更加经济、节能、环保、高效的材料是解决建筑行业高能耗问题的合理研究方向之一。市场上常见的传统无机保温隔热材料,如保温砂浆[2]、岩棉[3]、泡沫玻璃[4]等,性能都有不足。

  气凝胶材料拥有低热导、高孔隙率、低密度等优异特性[2],远远优于目前常见的传统无机耐高温材料。市面上常见的保温隔热耐高温材料,如挤塑聚苯板(XPS)、膨胀聚苯板(EPS)等,在面对火灾等问题时存在严重的安全隐患。而气凝胶材料具有优异的阻燃性能。同时,气凝胶的制备成本和生产周期可控,故气凝胶在将来能够用于替代很多建筑材料或与传统材料复合作为新型建材。因此,气凝胶材料在建筑保温隔热、节能降耗方面拥有十分广阔的研究前景和开发价值。

  本文介绍了气凝胶的制备方法、性能以及气凝胶颗粒、气凝胶隔热板、气凝胶泡沫混凝土和气凝胶玻璃等材料,展望了气凝胶在建筑行业的应用前景。

  1气凝胶的制备

  气凝胶材料是由纳米级颗粒聚集成纳米多孔结构材料,是一种填充有胶体颗粒或聚合物分子、以气态分散介质充满孔隙的多孔轻质材料[5],是迄今已知的最轻的固体。可分为氧化物气凝胶、碳/石墨气凝胶、有机气凝胶等[6]。

  1931年,Kistler[7]创造了“aerogel”的概念,首次以水玻璃为原料,通过超临界干燥技术合成得到气凝胶材料。在20世纪80年代,Pekala等[8]研究制备出了间苯二酚/甲醛有机气凝胶。在1992年国际材料工程会议上,Hunt等学者首先提出了超级绝热材料的相关话题[9]。

  之后,西方发达国家将气凝胶广泛用于航空航天、建材等领域,很多产品已经能够投入商用。国内对气凝胶的研究起步较晚,但发展迅猛,十几年来已在气凝胶的制备、性能检测和应用开发方面取得了很多成果和经验。1999年,张敬畅等[10]通过用廉价的无机盐为原料,结合溶胶-凝胶法和超临界干燥制备出了纳米级的TiO2气凝胶。

  2019年,杨镇源等[11]采用预聚体法制备出了聚酯型热塑性聚氨酯弹性体(TPU)/二氧化硅气凝胶复合材料。气凝胶在合成过程中,主要包括溶胶-凝胶转变和干燥两个阶段,通过前驱体在适当催化剂的作用下发生化学反应得到湿凝胶,再通过干燥制备出气凝胶。

  溶胶-凝胶过程通过3个步骤将胶体溶液转变为连续且无序的网状结构:原料首先在溶液中发生水解反应;水解后的分子通过缩聚反应在溶液中聚集成小粒子簇,伴随小粒子簇的增多进而聚集成大粒子簇;之后发生络合反应,最终制得凝胶。

  通过老化步骤,可以使凝胶结构中的网状结构络合粘结得更加稳定,结构中的连接网络部分更加粗壮,进而使结构稳定。在之后的干燥过程中,不会因凝胶结构塌陷造成制备失败。常见的老化过程是以乙醇作为老化液,在保持一定的环境和温度下,老化一周左右的时间,期间定期更换老化液。老化后的凝胶需要进行干燥才可以得到最终的气凝胶。

  目前气凝胶制备所用的干燥技术主要有常压干燥、冷冻干燥以及超临界干燥。常压干燥是处理前驱体使其获得疏水性,再通过升温加热获得气凝胶。冷冻干燥是通过使介质升华处理凝胶的干燥技术,用来避免产生气-液界面。超临界干燥是将湿凝胶中需要被干燥的介质转变为超临界态,使其表面张力降低为0,保证凝胶结构的完整和其优异的性能[13]。

  气凝胶优异的物理性能得益于其所具有的独特微观结构,但是微观结构的形成依赖于气凝胶本身的制备过程,因此改良气凝胶的制备工艺是目前气凝胶应用开发的主要方向[12]。

  2气凝胶的应用

  气凝胶拥有优异的保温性能,其在节能方面拥有广阔的应用前景,目前已有部分产品进入市场。

  2.1气凝胶颗粒

  SiO2气凝胶分子聚合起来形成的粒状物质被称为气凝胶颗粒,根据分子性质可分为疏水性和亲水性。通常制备方式有两种:一次成型法,用甲酰胺作为催化剂,水玻璃为凝胶前驱体[15],通过溶胶-凝胶法制备出SiO2气凝胶颗粒;二次成型法,先制备出块状SiO2气凝胶颗粒,再按照所需粒径大小制备颗粒。

  据报道,美国乌尔里克·鲍尔等已制备出粒径小于1μm的气凝胶颗粒(专利号为CN200880015808.X)。因其制备的简易性,可推出商用型气凝胶颗粒,国内外都有公司推出相关产品,如美国卡博特公司和广州埃力生公司。通过控制气凝胶颗粒大小和密度,可与普通无机材料复合制备保温砂浆,按照所需比例要求用于墙体外保温层材料、墙体夹芯保温填充层材料等[16]。

  2.2气凝胶绝热板

  作为目前建筑墙体主要保温材料的EPS、无机GF毡等[17],普遍存在使用寿命短、严重的安全隐患等问题。作为新型绝热材料的气凝胶隔热板(AIP),则具有更好的安全性和更低的热导率。目前常见的AIP有纤维毡/气凝胶复合板[18]、三元遮光剂/纤维/气凝胶复合板[19]和气凝胶真空绝热板[20]。

  杨建明等[21]通过溶胶-凝胶法制备气溶胶,再和GF毡结合得到复合凝胶,经过老化和表面改性后,运用常压干燥技术制备出气凝胶绝热板。测试后得出,制备的AIP的导热系数仅为0.0208W/(m·K),较GF和EPS体现出更优异的性能。自行设计的盒内实验测得,在升温条件下,AIP能延长升至最高温的时间。AIP比传统绝缘材料能够更有效地降低温度波动。

  2.3气凝胶泡沫混凝土

  在现代建筑中,热量损失占了相当大一部分建筑能耗,所以建筑隔热能力和保温能力的提高十分重要。气凝胶泡沫混凝土由于良好的保温性能和隔热能力,且较其他泡沫混凝土更为轻质,在现代建筑中有着重要的应用[22-24]。在过去的10年中,SiO2气凝胶被公认为是建材中最卓越的超绝缘材料之一。

  Gao等[25]通过在混凝土中加入60%体积分数的气凝胶,制备了密度为1000kg/m3、导热系数为0.26W/(m·K)的气凝胶混凝土。Ng等[26]分析了气凝胶混凝土导热系数与混凝土中气凝胶含量的关系,基于此研究制备出导热系数0.55W/(m·K)、气凝胶体积分数为50%的气凝胶混凝土。

  然而上述气凝胶混凝土仍然表现出较高的密度和导热系数。在混凝土中加入超绝缘气凝胶虽然可以降低混凝土的密度和导热系数,但效果比单独加入泡沫更差。此外,气凝胶的添加量非常高,增加了气凝胶混凝土的高成本阻碍了其工程应用。Li等[27]通过同时在混凝土中加入气凝胶和泡沫,制备出一种新型三元气凝胶泡沫混凝土。由于气凝胶非常轻且部分气凝胶颗粒可以起到支撑作用,气凝胶泡沫混凝土可以在保持与其他泡沫混凝土密度相同的同时,拥有更好的强度及成型性,并且导热性得到有效降低。

  气凝胶泡沫混凝土的导热系数较低。与前几位科研工作者所做的工作相比,在相同孔隙率下,气凝胶泡沫混凝土的导热系数和密度明显较低,并且在相同密度下,气凝胶泡沫混凝土的抗压强度高于文献[28-29]和中国标准JG-T-266-2011[30]中的数值。

  2.4气凝胶玻璃

  玻璃外窗是现代建筑结构中必不可少的组成部分,其具有通风、采光、增加美感等重要功能,可以很好地提高室内人员的舒适度。据统计,整体建筑总热量损失的40%~50%是由传统建筑中的门窗所流失的[31]。传统硅酸盐玻璃虽具有较好的透光性和隔热性,但遮阳系数及传热系数都比较大,无法显著降低建筑能耗。而新型的气凝胶材料玻璃则在这两大性能上同时做出了一定的改进。

  气凝胶因其特有的热学性能,可以减少室内热量向外部扩散,同样可以阻止外部热量向室内传递,达到良好的保温隔热效果。同时其透光性良好,不会对室内的采光造成影响。陈友明等[32]通过实验将气凝胶填充至两层普通玻璃板间,与中空玻璃板和气凝胶玻璃进行对比。

  通过设计相关实验,利用太阳总辐射仪、照度仪以及散射辐射仪等相关仪器来测定玻璃板两侧的太阳总辐射、光照强度和散射辐射。实验结果表明,气凝胶玻璃不会改变太阳辐射的变化趋势,采光效率不会改变,但相比于中空玻璃,气凝胶玻璃能有效减少通过的总辐射,同时增加散射辐射。

  实验还测量了室内可见光照度,通过对比气凝胶玻璃侧以及中空玻璃侧,参考《建筑采光设计标准》[33],测得的气凝胶玻璃采光系数大于20%,高于标准的5%,说明气凝胶玻璃不会影响采光效果。与此同时,气凝胶玻璃侧的室内几乎没有太阳直射辐射,所以室内的光线相比于中空玻璃侧更加柔和,可以达到护眼的效果。

  3结语与展望

  传统建筑材料因密度大、热导率高、安全性能不足、使用寿命短等问题,不符合当前绿色可持续发展、节能降耗的要求,严重影响建筑行业未来的发展。需要开发性能更优和使用体验更好的新型建筑材料。气凝胶作为一种新型材料,密度低、耐高温、孔隙率高、透光性好、隔音减震等优异性能为其在建筑行业的应用带来了更多的可能性。

  目前,气凝胶主要存在成本高、制备周期长的问题,阻碍了其开发和生产推广。在建筑领域,需要低成本、高性能的材料,气凝胶材料需要开发更加廉价的原料和制备工艺,使其能够工业化生产。气凝胶优异的保温隔热性能和更多潜在性能使其在建筑领域具有广阔的应用前景。

  参考文献

  [1]武涌,梁境.中国能源发展战略与建筑节能[J].重庆建筑,2006,5(3):6-19.

  [2]凌宏杰,熊厚仁,余安妮,等.建筑外墙外保温系统饰面层劣化现状调查研究[J].新型建筑材料,2018,45(12):114-118.