气凝胶绝热材料,助你走向绿色节能工业

2022-09-10

气凝胶材料孕育于20世纪30年代, 作为一种保温隔热材料, 性能优越, 但由于制备工艺极其复杂, 且技术含量相对较高, 故应用领域广泛, 包括航天航空领域、军工领域、医药载体领域等。伴随着科学技术的不断发展, 对气凝胶材料研究得到了进一步的深入与扩展, 气凝胶材料逐渐在工业管道保温、设备保温等领域得到了应用。在现阶段, 建筑能耗作为社会总能耗的关键指标, 建筑节能已经成为当前诸多研究学者的关键课题。目前, 国内市场应用的常见墙体保温形式为外墙外保温, 由于外墙外保温材料防火性能差, 与现阶段防火等级要求不符, 故创建保温性能好、防火等级高的替代材料已成为了外墙外保温行业发展的关键态势。而气凝胶材料保温隔热性能优越, 且防火性能颇佳, 属于理想替代品, 应用前景广阔。

一、气凝胶绝热材料导热性能、低传导热机理概述

1. 导热性能分析

气凝胶属于一种固体材料, 主要由超微粒子构成, 包括碳气凝胶、Si O2气凝胶等。气凝胶材料粒径小、密度低、比表面积高、气孔率高, 其微观网络骨架归入纳米范畴。1931年, Kistler应用超临界干燥方法并择取水玻璃为材料制备了Si O2气凝胶。一般而言, 在气凝胶中, 气孔尺寸为纳米级, 由于孔隙率与比表面积高等, 促使其导热系数在0.02 W/ (m·K) 以下。由于其保温隔热性能优越, 故得到研究者广泛重视。

2. 低传导热机理

在介质中, 热量扩散方式主要包括三种:一是热传导。气凝胶密度小、孔隙率高, 导致在材料内部热量传播路径拖长, 热量传播效率下降, 固态热传导率低下;二是对流传热。由于气凝胶胶体颗粒尺寸小, 空气分子自由程低, 导致气凝胶材料内部没有允许空气分子的活动空间, 对流热传导率低下;三是辐射传热。气凝胶热辐射为红外热辐射, 红外线波长为14μm左右, 可对冲红外光辐射, 加上多孔网络结构阻滞热辐射, 故对热辐射具有高遮挡效率, 辐射热导率低。

二、气凝胶绝热材料制备分析

针对气凝胶绝热材料制备而言, 主要体现在三个方面:1.气凝胶制备工艺化学过程。溶胶-凝胶工艺作为当前气凝胶制备应用最广泛一种工艺手段, 主要包括两个过程:一是溶胶-凝胶过程, 二是醇凝胶干燥工艺。在溶胶凝胶过程中, 产生水解反应与缩聚反应。前驱体材料易发生水解, 形成Si (OH) 4基团, 并与Si (OH) 4基团间产生缩聚反应, 构成网状凝胶。在此过程中, 水解反应与缩聚反应同步开展, 其相对速率与所构成材料的密度、结构、凝胶颗粒形态密切相关;2.气凝胶材料干燥技术。气凝胶干燥作为制备过程中的重要技术, 最终构成的气凝胶材料网状结构完整度与气凝胶材料性能息息相关。前驱体通过水解与缩聚反应构成网络结构体后排除液相溶剂, 最终获取固相气凝胶材料。在排除过程中, 溶剂基于气凝胶微结构作用下构成毛细管力, 经干燥后毛细管力易破坏凝胶网络结构, 难以获取块体材料。由此可见, 要想气凝胶材料性能优良, 于干燥过程中, 要促使毛细管力低于网络结构强度, 确保网络结构完整。目前, 气凝胶材料制备应用的前驱体主要包括水玻璃、硅酸甲酯、正硅酸乙酯;3.气凝胶材料性能改善研究。我国在纳米孔超级绝热材料方面的研究尚处于探索阶段。Si O2气凝胶在工业领域大规模应用存在瓶颈障碍, 其生产制造工艺技术要求高, 而原材料价格昂贵, 强度低, 单独应用难以实现。诸多学者研究发现, 纤维可制备Si O2气凝胶复合材料, 能改善其性能。

三、气凝胶绝热材料在工业节能领域的应用前景

在现阶段, 国内上市的气凝胶材料主要包括六种:一是气凝胶绝热毡, 二是气凝胶绝热板, 三是气凝胶粉体, 四是气凝胶颗粒, 五是绝热筒体异形件, 六是绝热采光板。此类气凝胶产品在工业管道、太阳能集热器、设备节能保温、冶金、航空航天、军工等领域应用广泛。而在建筑节能领域应用, 目前气凝胶节能门窗气凝胶材料应用方向最广。目前, 国外气凝胶节能门窗研究主要以颗粒状气凝胶与整块气凝胶制作为导向, 研究二氧化硅气凝胶透光隔热玻璃门窗与夹层节能玻璃。目前, 国内外研究重点主要是利用气凝胶制备新型绝热板材, 夹芯层属于气凝胶材料, 同时采用以气凝胶材料为导向的复合材料替代颗粒、块体或粉体材料, 且以气凝胶粉体、颗粒为导向生产复合材料替代板材夹芯层。美国目前设计了一种气凝胶新型板材, 透光率达19%左右, 传热系数为0.049W/ (m2·K) 左右。此种板材以纳米凝胶材料为内核材料, 两侧结合辅助材料制成复合夹芯板, 应用于天窗系统上保温隔热效果颇佳。

结束语

综上所述, 气凝胶材料结构独特, 保温隔热性能、防火性能优越, 可替代现有有机保温板、陶粒、无机玻化微珠、聚苯颗粒、陶砂等材料, 能显著改善保温涂料性能, 在墙体保温领域应用前景广阔, 同时在军工、航天航空、医药载体等领域也具有重要的应用前景, 已成为研究者们今后探究的重要课题。

摘要：伴随着科学技术的不断发展, 建筑材料逐步向节能、环保等方面发展, 尤其是气凝胶材料, 其在建筑节能领域得到了广泛应用与发展。气凝胶材料属于一种保温隔热材料, 工艺复杂, 除在建筑领域应用广泛外, 同时在航天航空、医药载体等领用也有所涉及, 应用前景广阔。本文主要立足于工业领域, 简要阐述气凝胶材料性能、制备, 基于分析国内外研究进展的基础上介绍气凝胶绝热材料在建筑节能领域的应用形式, 旨在走向绿色节能工业道路。

关键词：气凝胶绝热材料,绿色节能