1、新 型建筑材料 201290 引 言气凝胶材料发现于 20 世纪 30 年代，是一种保温性能优越的 A 级防火隔热材料，其导热系数一般在 0.0130.03 W/（ mK），远低于目前市场上已有的用于建筑保温节能领域的无机类保温材料，如岩棉板 、膨胀玻化微珠保温砂浆 、泡沫水泥板 、泡沫玻璃等，与以上无机保温材料相比，气凝胶材料更具有性能优势 。近年来，建筑保温节能领域火灾密集出现，揭示了目前市场上广泛应用的有机类保温材料的应用缺陷，如膨胀聚苯板（ EPS） 、挤塑聚苯板（ XPS）等 。建筑墙体保温材料防火等级提高是行业必然的发展趋势，发展和推广低导热系数的 A 级防火隔热材料是行业重要任务
2、 。气凝胶材料具有较好的保温隔热性能和防火性能，是传统保温材料理想替代品，具有良好应用前景 。1 气凝胶材料Kistler 在 1931 年以水玻璃为原料采用超临界干燥方法首次成功地制备了 SiO2气凝胶1。纯气凝胶是一种由处于纳米级范畴的微粒子组成的固体材料，气凝胶中大量细小气孔的尺寸处于纳米级，并具有极高孔隙率和比表面积 。气凝胶材料所具有小粒径 、低密度 、高比表面积和高气孔率等结构特点，有效降低了热量传播的效率，使固态热传导率仅为均质材料的 0.2%左右，限制了空气分子在材料内部的对流从而抑制了对流传热，并对热辐射形成阻碍效应，显示出了对热辐射的高遮挡效率，导致气凝胶的导热系数一般低于
3、 0.02 W/（ mK），甚至达到 0.013 W/（ mK） 。2 气凝胶材料的制备以 SiO2气凝胶制备为例，其制备过程需要经过 2 个化学反应，前驱体（硅酸甲酯 、水玻璃和正硅酸乙酯）在适当催化剂的作用下的水解反应及部分水解的有机硅发生缩聚反应 。Si（ OR）4+4H2OSi（ OH）4+4HOR（水解）nSi（ OH）4（ SiO2）n+2nH2O（缩聚）以上化学反应的相对速度决定了最终气凝胶形成的状态 。这 2 个化学反应对反应环境酸碱度呈相反的响应，过酸的环境将抑制缩聚反应，促进水解反应；过碱的环境则相反 。因而控制反应环境的 pH 值及其它工艺条件可以间接地控制凝胶形成的颗粒
4、大小 、粒径分布等 。经过水解和缩聚反应形成的凝胶必须经过干燥后才能形成具有实用价值的气凝胶材料 。因凝胶孔径为纳米级，直接干燥会破坏已经形成的凝胶结构而得到粉末 。因此，最初的干燥工艺采用超临界干燥技术，超临界干燥需要高温高压的苛刻条件，而且因为干燥介质中含有部分可燃物质而过程中存在危险性 。经过科技人员大量的工作，干燥条件已经向常温常压发展，也出现了多种多样的干燥工艺，如亚临界干燥工艺 、“微分 ”干燥工艺 、常压干燥工艺 、传导干燥工艺以及蒸发干燥工艺等 。纯净气凝胶材料脆性大 、强度低，不能直接应用，必须经过增强处理，以使其力学性能达到一定的指标要求 。增强材料一般为纤维增强材料，常用
5、纤维材料有莫来石纤维2，硅酸铝纤维3和玻璃纤维4等 。这些纤维增强材料一般为在气凝胶溶胶干燥过程之前加入，在干燥过程中纤维增强材料与气凝胶材料融合在一起，形成纤维增强气凝胶 。另一种增强处理方法是先制成气凝胶的颗粒或者粉料，再掺入增强纤维和粘结剂，经模压或浇注成型制成复合体 。这 2 种增强处理方法都能够收稿日期： 2011-06-30作者简介：陈颐，男， 1985 年生，山东荷泽人，工程师，主要从事新型建筑保温隔热材料研究 。气凝胶材料在墙体保温系统中的应用程颐，成时亮，阮丰乐，辛春华（上海英硕聚合材料股份有限公司，上海 201112）摘要： 气凝胶材料在建筑节能领域的应用还十分有限，在墙体
6、保温领域的应用更是少见 。介绍了气凝胶材料的基本性能，提出了气凝胶在墙体保温应用中的几种可能性以及目前气凝胶材料在墙体保温节能领域应用需要解决的问题 。关键词： 气凝胶；保温材料；建筑节能；墙体保温中图分类号： TU55+1.3 文献标识码： B 文章编号： 1001702X（ 2012） 090080-04Application of aerogel material in wall insulation systemCHENG Yi， CHENG Shiliang， RUAN Fengle， XIN Chunhua（ Shanghai Insuring Polymer Materials
7、Co. Ltd.， Shanghai 201112， China）中国科技核心期刊全国中文核心期刊80 NEW BUILDING MATERIALS显著地改善气凝胶的脆性，提高其韧性 。3 气凝胶材料在墙体保温领域的应用3.1 气凝胶材料在墙体保温中的应用国内市场上已用于保温材料的气凝胶材料制品包括有毡材 、板材 、粉体 、颗粒等 。毡材和板材主要用于工业管道保温和设备保温等，粉体和颗粒主要用于制备复合材料 。表 1 为目前市场上部分气凝胶产品与较常用墙体保温材料的性能对比 。3.1.1 气凝胶材料可以作为目前成熟墙体保温系统中保温材料的合理替代目前，用于外墙外保温系统的保温功能材料可以分为有
8、机保温材料和无机保温材料 。气凝胶材料为无机保温材料，燃烧等级为 A 级，其导热系数一般为 0.020 W/（ mK）左右，是膨胀玻化微珠保温砂浆的 1/3，是岩棉板的 1/2，是 EPS/XPS板的 1/2，其成型的板材或者毡材品的密度为 160250 kg/m3，虽然比有机保温材料重，但是为膨胀玻化微珠保温砂浆密度的 1/2，与岩棉板相当 。由此可见，气凝胶材料不论与现有有机保温材料或者无机保温材料相比都具有很大的优势 。将目前市场上成熟的墙体保温系统中保温材料使用气凝胶材料进行合理的替代，并对辅助材料配方进行合理调整可以起到集合各方优势的效果 。3.1.2 气凝胶颗粒应用在保温砂浆中气凝
9、胶颗粒的粒径为 0.55.0mm，密度为 40380 kg/m3，孔径为 2545 nm，可以控制工艺条件制备出合适粒径及密度的气凝胶颗粒材料 。这样的气凝胶颗粒材料可以与普通无机胶凝材料复合制备保温砂浆，根据用途不同调节配比可以作为墙体外保温层材料 、墙体夹芯保温填充层材料等 。现在市场上常见的有膨胀玻化微珠保温砂浆 、胶粉聚苯颗粒保温砂浆以及陶粒保温砂浆等 。应用最广泛的保温砂浆产品为膨胀玻化微珠保温砂浆，其干密度为 80120 kg/m3，导热系数为0.0450.07 W/（ mK） 。因此，结合气凝胶材料超低的导热系数的优势，气凝胶颗粒材料在保温砂浆中的应用不仅具有可行性，还具有一定的
10、优势 。在已经开展的对气凝胶材料在建筑节能保温应用研究中，同济大学倪兴元等5将制备的气凝胶材料与建筑水泥砂浆混合，成型干燥后对复合样板进行性能测试 。测试结果显示，没有掺入气凝胶材料的对比样板的导热系数为 0.60.8W/（ mK），而掺入一定量气凝胶材料后测试样板的导热系数为 0.20.3 W/（ mK），降低了 50%70%， 。该实验表明，气凝胶材料掺杂在无机胶凝材料中将有可能大幅度降低气凝胶材料与无机胶凝材料复合材料的导热系数 。其机理在于，超低导热系数的气凝胶颗粒添加到混合砂浆中，为热传导设置了无数个障碍，同时拉长了热传递的路径，热量要从热端传递到冷端，必须克服气凝胶颗粒的层层障碍，
11、即使在胶凝材料中传递的热量，也因不规则设置的气凝胶颗粒而被切断了直线传递的路径，大大损失了传递效率 。因此，气凝胶颗粒合理的掺量以及颗粒级配也是此类复合保温砂浆能够表现出优异性能的必要条件 。掺杂气凝胶颗粒制备的保温砂浆在夹芯保温填充料和外墙外保温系统中都有应用前景，随着气凝胶材料制备工艺的不断发展以及气凝胶颗粒在建筑保温砂浆应用领域的技术进步，气凝胶颗粒以及其它可能应用于砂浆类材料的气凝胶材料的优势应该会得到更好的体现 。气凝胶颗粒应用于砂浆的技术难点在于如何在砂浆制备过程中保持稳定的纳米孔网络骨架结构，由于气凝胶颗粒的骨架结构容易遭到破坏，在制备砂浆的搅拌过程中很可能会破坏其结构，使其丧失
12、部分保温功能 。因此，仍然需要对气凝胶颗粒材料的基础性能进行研究，以增强骨架强度；同时也要对气凝胶颗粒的表面结构进行研究，以致密表面结构或者开发表面防护改性材料 。另外，改进砂浆搅拌工艺也是可以尝试的途径 。项 目 导热系数 /W/（ mK） 燃烧等级 （干 /堆）密度 /（ kg/m3） 结 论气凝胶毡材 0.020 A 160200 不燃，隔热效果很好，较轻气凝胶板材 0.020 A 180250 不燃，隔热效果很好，较轻气凝胶颗粒 0.020 A 40380 不燃，隔热效果很好，密度可调气凝胶粉体 0.020 A 40380 不燃，隔热效果很好，密度可调聚氨酯发泡板 0.0170.023
13、 B1B2 4560 可燃，隔热效果很好，轻质酚醛乙烯发泡板 0.033 B1B2 48 可燃，隔热效果好，轻质聚苯乙烯发泡板 0.0310.040 B1B2 1845 易燃，隔热效果好，很轻岩棉板 0.040 A 140200 不燃，隔热效果好，较轻膨胀玻化微珠保温砂浆 0.0700.085 A 300550 不燃，隔热效果一般，较重陶粒保温砂浆 0.100 A 700 不燃，隔热效果差，很重表 1 几种气凝胶材料与常用保温材料的性能比较程颐，等：气凝胶材料在墙体保温系统中的应用81 新 型建筑材料 20129英硕公司在第三代保温装饰一体化板技术基础上，研究开发使用岩棉板（横向纤维）或者岩棉
14、条（竖向纤维）为保温功能材料的新型保温装饰一体化板产品，其性能指标可以达到同样以岩棉板为保温材料的薄抹灰外墙外保温系统的技术要求 。保温装饰一体化系统一般的施工工艺有干挂和湿贴 。干挂主要注重装饰效果，因板材与墙体不能密实，实际保温效果与理论有较大差距 。湿贴施工中虽然有时配合使用锚固件，但是锚固件只设置在板材边缘，大块板材施工时粘结安全性能值得考量 。气凝胶材料的毡材和板材与岩棉板的密度相当，而导热系数是岩棉板的 50%，如果气凝胶毡或者板能够替代岩棉板，在相同的节能设计标准要求下，只需使用1/2 厚度岩棉板的气凝胶材料即可 。使用气凝胶材料替代岩棉板或者岩棉条，可以使岩棉保温装饰一体化板减
15、少 30%40%的自重 。复合板自重的减轻可以大大地降低粘结层负担，也可以降低复合板自身层间结合负担，提高系统使用的安全系数 。因此，气凝胶材料应用于保温装饰一体化板材，可以推动保温装饰一体化板系统的技术进步和推广 。3.1.4 气凝胶材料在墙体夹芯保温中的应用气凝胶材料在墙体夹芯保温系统中应用的优势在于，其质量较轻，导热系数较低，且 A 级不燃 。同时使用寿命可以达到与建筑物同寿命；与无机类保温材料相比，气凝胶具有更低的导热系数，这就意味着使用较少的气凝胶材料既可以到达传统较厚保温材料才能达到的效果 。而夹芯材料厚度的降低，不仅仅是保温材料本身的节约，因为可以减少间隙空间，这将减少包裹体材料
16、，将能够降低整个墙体的厚度，增加使用面积，减轻墙体自重，对应的可以提高结构安全性 。墙体夹芯保温材料中常用的是成型的板材产品，如岩棉板或者砂浆类材料如胶粉聚苯颗粒保温砂浆以及现场施工浇注发泡的无机发泡类保温材料，如泡沫水泥等 。气凝胶材料应用于墙体夹芯保温既可以使用成型的板型制品如气凝胶毡或气凝胶板等做夹芯层，也可以使用掺入了气凝胶颗粒制备的保温砂浆作为夹芯填充料 。3.2 气凝胶材料在外墙外保温系统中应用中还需解决的问题3.2.1 必须解决产业化问题气凝胶材料因其制备工艺复杂，技术含量较高等，其产量一直是制约其推广的重要因素 。目前，气凝胶材料虽然已经有部分产业化了，但是相对于巨大的潜在建筑
17、节能市场，气凝胶材料目前的产能还远远不能满足工业生产需要 。气凝胶材料的产业化是其在建筑保温节能领域应用所不可回避的问题 。在产业化过程中要解决的问题不仅仅是产能，重要的还有要在过程中研究匹配的性能要求，完善生产工艺，改善生产条件，降低生产成本 。3.2.2 需要丰富和完善制品种类规格目前已经在其它领域应用的气凝胶制品厚度一般不大于10 mm，在工业管道保温中根据工作环境要求可以多层使用，层与层之间不需要特别处理气凝胶材料与几种保温材料厚度的对应关系见表 2。3.1.3 气凝胶材料应用于保温装饰一体化板保温装饰一体化板是墙体保温一个新的发展方向，虽然目前还没有大面积普及，但是其具有施工方面优势
18、，也可实现工厂化预制生产，具有规模效应 。这也是现场施工保温系统所不能比拟的 。保温装饰一体化板的发展大体经历了 3 个阶段，第一个阶段是保温材料层与饰面层简单的粘结复合，这种复合板结构简单，强度较低，抗冲击能力差，极易变形；为了克服简单复合板的缺陷，研制了在 2 层保温材料层之间加入一定厚度的铝板的第二代保温装饰一体化板，这种板材的强度和抗冲击性能有所提高，而加入铝板所带来的缺陷是水汽被封闭在保温系统内部不易排出，容易对保温系统形成破坏；随之发展而来的第三代保温装饰一体化板，在饰面层与隔热保温层之间设置一层纤维增强水泥板以增强系统强度，并且在保温层内侧增设界面层以增强保温层与基层墙体的粘结亲
19、和力（见图 1） 。图 1 几种保温装饰一体化板的构造程颐，等：气凝胶材料在墙体保温系统中的应用82 NEW BUILDING MATERIALS（上接第 79 页）近 50%，无论是生产环节还是使用环节，在节材 、节能降耗方面前者均优于后者 。为实现开发推广使用 34 mm 薄玻璃建筑门窗技术，目前已制定了企业标准（ Q/GJKY012012）和技术规程，已开发了自动化贴膜工艺及装置，正逐步形成新的建筑玻窗技术体系 。参考文献：1 JC8462012，贴膜玻璃 S.2 GB/T11942006，中空玻璃 S.3 JGJ 1132003，建筑玻璃应用技术规程 S. 蒉材料种类 气凝胶材料 玻化
20、微珠保温砂浆 EPS 板 岩棉板 石膏基保温砂浆 胶粉聚苯颗粒砂浆导热系数 /W/（ mK） 0.0224 0.0609 0.0363 0.0334 0.0709 0.0561一般施工厚度 /mm 50 40 40 50 40传热系数 /W/（ m2K） 1.218 0.907 0.970 1.418 1.40218 25 23 16 16备 注 气凝胶毡样品英硕生产，内外组合保温英硕生产 英硕生产英硕生产，内外组合保温英硕生产达到对应材料保温效果时气凝胶材料的施工厚度 /mm表 2 气凝胶材料与几种保温材料施工厚度的对应关系由表 2 可知，在建筑保温中，若要达到建筑节能设计标准，气凝胶保温层
21、厚度一般需要在 2030 mm，根据现有产品，可以采用多层复合工艺以使其能够满足节能要求，但是气凝胶层与气凝胶层的复合工艺还需要进一步的研究开发，复合后的力学安全性能也存在不确定性，且制作或施工工艺更趋复杂 。因此，在气凝胶生产或者再加工过程中考虑直接制备厚度为 2030 mm 之间的板型制品，将有助于气凝胶在外墙外保温上的推广应用 。3.2.3 需要解决配套材料问题气凝胶材料在墙体保温系统中应用是新的材料，与之相对应的粘结剂材料 、防护材料等辅助类材料需要进行研究开发 。首先，气凝胶材料无论在外墙内保温 、夹层保温或者外墙外保温系统中应用都尚没有一套较成熟的技术方案，因此，在不同的应用形式中
22、，气凝胶材料与各辅助材料的适应性能有待进一步的研究 。其次，气凝胶材料制品类型不同，后期加工工艺不同，以至于材料表面结构具有特殊性，针对不同的制品类型开发适合配套辅助材料是系统优越性能得以体现的必备因素 。3.2.4 气凝胶材料保温系统设计及施工工艺的研究完善气凝胶材料不同于现有常用的保温材料，其特殊的性能决定了其保温系统也具有特殊性 。气凝胶材料的应用可以很大程度的降低系统厚度和减轻系统的质量，与之相适应的整个保温系统的结构也应该做出相应的调整，目前对于气凝胶保温系统设计还未有实质进展 。其施工工艺也具有特殊性，虽然针对不同的气凝胶保温产品的施工流程可以参考已有的有机板材等软质板材 、岩棉板
23、材等纤维复合板材 、泡沫水泥等硬质板材 、保温砂浆类等施工流程，但是其维护方法 、施工手法 、检测方法等都还没有得到实际应用的验证 。3.2.5 气凝胶材料保温系统相关技术标准的制定气凝胶材料在墙体保温行业中尚在研究中，气凝胶材料要想推广应用必须制定经过论证可行的产品技术标准 、辅助材料标准 、系统质量标准 、应用技术规程 、施工图集等 。4 结 语气凝胶材料在墙体保温节能领域应用具有一定的优势，其在外墙外保温系统 、保温砂浆 、保温装饰一体化板材以及墙体夹芯保温系统中都具有应用的前景 。但是气凝胶材料在墙体保温节能领域应用也面临几个不可回避的问题，推进气凝胶材料的产业化提高其产能；不断改进制
24、备工艺生产适合墙体保温用制品；气凝胶材料保温系统配套材料研究；气凝胶材料保温系统结构设计施工工艺研究以及必要的技术标准的完善等都是从业人员需要努力的方向 。参考文献：1 马荣，童跃进，关怀民 .SiO2气凝胶的研究现状与应用 J.材料导报， 2011， 25（ 1） :58-64.2 董志军，李轩科，袁观明 .莫来石纤维增强 SiO2气凝胶复合材料的制备及性能研究 J.化工新型材料， 2006， 34（ 7）： 58-61.3 杨海龙，倪文，梁涛，等 .硅酸铝纤维增强纳米孔绝热材料的制备与表征 J.材料工程， 2007（ 7） :63-66.4 康旭，赵雷，段先健，等 .纳米孔二氧化硅绝热材料的研究 J.材料研究与应用， 2010， 4（ 12）： 622-625.5 倪兴元，王博，沈军，等 .纳米 SiO2气凝胶在节能建筑墙体中的保温隔热特性研究 C/中国仪表功能材料学会 .第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集 .重庆：功能材料期刊社， 2010： 350-352. 蒉程颐，等：气凝胶材料在墙体保温系统中的应用83
