气凝胶建筑节能材料的应用

气凝胶建筑节能材料的应用

官文迪､李旭

重庆建工集团股份有限公司  重庆市  401120

摘要:气凝胶材料是现阶段建筑领域应用较为广泛的全新材料,拥有密度低､质量轻､防火与隔热性能好､透明等特征｡相比较传统保温材料,气凝胶材料有着非常低的导热系数,具有良好的保温隔热､防火性能,其在建筑工程中的应用主要体现在气凝胶节能门窗､房顶太阳能集热器等方面｡

关键词:气凝胶材料;建筑节能工程;门窗;太阳能集热器

1气凝胶材料概述

气凝胶材料空洞率高(80%~99.8%)､比表面积大(200~1000m2/g)､粒径小且密度低,因此气凝胶材料是一种由超微粒子组成的新型纳米多孔性固体材料｡气凝胶于1931年被发现,Kistler第一次研制成功研发SiO2气凝胶是用水玻璃为原材料,用的是溶胶-凝胶及超临界干燥技术,首次成功制备了SiO2气凝胶｡气凝胶空前的发展是在上世纪70､80年代,硅气凝胶被用作火箭燃料储存,国外研究人员制备了二氧化硅气凝胶用硅脂,通过溶胶-凝胶法,缩短了气凝胶制备与干燥的周期｡此后,相关研究人员用二氧化碳作为超临界干燥的介质制备气凝胶,从而将气凝胶的干燥温度降至室温,因此气凝胶的制备过程较为安全,且应用技术较为成熟,其商业化的生产也是指日可待｡

2气凝胶材料的分类

根据气凝胶材料的组成成分将其分为有机､无机及炭气凝胶｡

2.1无机气凝胶

无机气凝胶是一种低密度非晶固态材料,其原料是金属有机物,干燥工艺是溶胶-凝胶法与超临界干燥工艺｡单元氧化物气凝胶是最近研制出来的;同时还有二元或多元氧化物气凝胶;超细金属､陶瓷粉末等｡

2.2有机气凝胶

间苯二酚/甲醛有机气凝胶是由20世纪80年代美国人研制,它制备的方法与无机气凝胶几乎相同｡目前有机气凝胶方面制备的有:间苯二酚-甲醛(RF)､三聚氰胺-甲醛(MF)等｡有机比无机气凝胶红外吸收能力强,辐射导热率却相对较低｡

2.3炭气凝胶

炭气凝胶属于纳米炭材料,其特点是多孔､轻质､非晶态,生产制备通常是通过热固性的有机气凝胶经炭化后得到｡常温下的导电率比其他炭材料高可达10~25s/cm｡此外,炭气凝胶也有很好的耐腐蚀性､较高的表面积等优点｡

3气凝胶材料在建筑节能工程中的应用

现阶段,我国气凝胶在建筑领域的应用非常少见,对气凝胶研究的工作重点依旧在探索高附加值产品上,如航天航空､军工及医疗等｡在国外研究工作中,从21世纪初期就开始进行了建筑领域的气凝胶材料研究｡现阶段主要研究工作主要集中在气凝胶节能窗､气凝胶涂料及气凝胶新型板材等方面｡现阶段,我国能使用的气凝胶材料主要有气凝胶绝热毡､气凝胶颗粒及粉体等,这些气凝胶材料在工业管道､机器保温､冶金以及航天等领域有着较为广泛的应用｡

3.1低导热性与应用的介绍

气凝胶材料在结构方面与其它材料不同,气孔微小,微观结构与空隙都是纳米级别,因此热传导､对流传热和辐射传热都受限制｡因此,气凝胶材料相比其他材料具有较很低的导热系数,其值通常为0.01~0.03W/(m·K),应是目前为止所知导热系数最低的固体材料｡气凝胶材料制作的节能门窗是目前气凝胶在建筑节能领域应用最为广泛的一个方向｡我国门窗洞口处的耗能占建筑围护结构耗能的40%~50%,因此门窗的节能是很重要的｡玻璃的保温隔热受两个因素影响,遮蔽系数和传热系数｡节能门窗的制作主要是通过降低传热系数来实现节能的｡因此保温效果极好,25mm厚的纳米气凝胶材料制作的节能玻璃的传热系数可低至0.57W/(m2·K),传热系数是同厚度双层玻璃的2/5,保持45%的透光率,总透射率为43%｡

国外当前将气凝胶的研究与门窗散热相结合,一是对颗粒状气凝胶的应用,将其制作成新型的透光隔热玻璃门窗,二是将节能玻璃的填充层使用整块的二氧化硅气凝胶｡俄罗斯公司在2000年研发的气凝胶玻璃是其新的应用,玻璃外观与普通玻璃类似,但相比普通玻璃又具有较高的保温性能,防辐射､耐热､阻燃的特点,还可以吸音｡比如,新型的玻璃窗应用的是二氧化硅气凝胶｡在双层玻璃(4mm)中填充二氧化硅气凝胶(15mm),制成了非常隔热的玻璃,同时发现气凝胶的厚度大时玻璃的传热系数会变低｡

3.2绝热隔音性与应用的介绍

将气凝胶材料复合而成夹芯层,用来制作优良的生态建材,这种优质建材具有绝热和隔音性能｡目前国内外研究的重点之一就是用气凝胶生产新型绝热板材｡波士顿的Cobot公司研制出新产品—Nanogel,是一种兼具多种功能的可循环材料如可以防潮､防菌等｡

3.3耐火性及应用的介绍

气凝胶因其多孔结构,所以不然性为A级｡将钢结构的表面用气凝胶制作的复合材料覆盖,材料承受灼烧时间变长,无有害物质产生,但是火势得到了控制,是很好的耐火材｡哈尔滨工业大学在气凝胶涂料方向有了新的隔热､隔音等突破,此项发明已获得国家专利｡

3.4保温性能及其应用的介绍

因为气凝胶材料在保温性能和防水性能的优势,气凝胶材料一般应用于以下几方面:(1)墙体保温材料的替代气凝胶保温材料的不燃性好,因为导热系数是0.020W/(m·K),所以可以取代墙体保温材料,其系数保温砂浆的1/3,岩棉板的1/2,EPS/XPS板的1/2,并用其他材料配合可以发挥更大的优势｡(2)将气凝胶颗粒在保温砂浆中发挥作用合理粒径的气凝胶材料当密度也合适时与无机胶凝材料复合制备保温砂浆,导热系数为0.04W/(m·K)~0.06W/(m·K),比其他材料用作保温砂浆更有优势｡将气凝胶材料与砂浆混合,其试验结表明,在无机胶凝材料中加气凝胶导热系数将大幅度降低｡(3)保温装饰一体化板中气凝胶的作用节能标准相同时,气凝胶材料可代替1/2厚的岩棉板,保温装饰一体化板30%~40%的自重会降低｡自重低时粘结层与自身层结合的负担会降低,提高安全系数｡(4)墙体夹芯保温中气凝胶的作用较少的气凝胶材料就与传统较厚保温材料达到相同效果,就是因为气凝胶较无机类保温材料导热系数低｡由于墙体夹芯材料厚度的降低,则产生一系列优势如间隙空间减少,增加使用面积,墙体自重减轻,结构安全性提高｡

3.5透光性能及应用

将气凝胶透光性与保温性的优点应用在太阳能集热器,太阳能利用率将很大的提高｡将气凝胶材料应用于热水器的储水箱､集热器和管道,使太阳能热水器的集热效率提升1倍以上,而热损失只是30%以下｡

3.6孔隙率高､表面积大及应用

孔隙率高､表面积大使气凝胶材料作为净化器过的最佳选择｡因为气凝胶材料吸收能力较高,所以房屋内的空气净化,灰尘棉絮的清除与细菌病毒的防护都有应用,污水处理也有应用｡

4具体应用

4.1在房顶太阳能集热器上的运用

在国外许多国家,已经将气凝胶使用到房顶太阳能集热器上,主要体现在太阳能热水器及相关集热设施的保温上｡通过气凝胶材料的应用,一方面提高了对太阳能的使用率,另一方面显著改善了太阳能与集热设施的实用程度｡在太阳能的关键部件上运用气凝胶材料,如管路､储水箱等,其集热效率可以达到之前的2倍,同时能避免热量流失｡国外已设计出一款气凝胶真空集热器,在集热器的外表面填充了气凝胶材料,然而在填充过程中要控制好气凝胶材料的填充量,尽可能减小间隙,保证拥有良好的导热系数｡

4.2气凝胶节能门窗

当下,气凝胶在建筑节能工程中的应用主要体现在节能门窗上｡从当下建筑结构耗能构成来看,门窗的总耗能值达到了建筑总围护结构耗能量的30%~50%,其隔热保温节能性能非常差,直接影响整个建筑围护结构的节能效果｡此外,目前我国的门窗节能程度与国外许多国家相比较仍旧有限制的差距,在同等气候环境下,国外外窗单位能耗值仅为我国的40%左右,所以降低门窗能耗是提高建筑节能的重要举措,不仅拥有很好的隔热保温性,还具有良好的透光性,可以广泛使用到室内大型场所及泳池的采光屋顶上｡

5结语

得益于气凝胶材料不同的结构特征,使得气凝胶材料具有良好的隔热保温性能､防火性能,能够有效满足现代建筑墙体保温要求｡气凝胶材料能替换传统材料应用到建筑门窗､房顶太阳能集热器上,表现出良好的应用前景与使用价值｡

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