《新型建筑功能材料》课程论文 SiO2气凝胶介绍及在建筑材料领域的应用万鹏程武汉理工大学 材料科学与工程学院 2013级 学号1049721300447摘 要： SiO2气凝胶是一种纳米结构材料，具有很高的透光性和极低的热导率，这些性能使得这种材料在建筑领域有着广泛的应用前景本文介绍了SiO2气凝胶制备技术，性能特点，及西方国家中气凝胶在建筑节能领域已有的几种应用形式，并进一步讨论了SiO2气凝胶在建材领域应用存在的问题及解决途径关键词：SiO2；硅气凝胶；建筑材料；绝热性能 The introduction of SiO2 airgel and its application in the construction materials filed Wan PengchengWuhan University of Technology, School of Material Science and Technology, materials engineering lever 2013, 1049721300447Abstract:SiO2 airgel is a nanostructured material with high light transmittance and low thermal conductivity, which properties make this material in the construction field has a broad application prospects. This article describes the preparation of SiO2 airgel technology, performance characteristics, and several kinds of applications form of airgel in buliding energy-saving in the western countries expounded, and then problems and solutions of the SiO2 airgel applications in the field of building materials are presented. Key words: :SiO2 ; silica airgel; buliding materials; thermal properties引言：能源问题已经成为影响人类发展的重大问题，各国都意识到解决能源危机的出路在于合理开发新能源的同时注重节约能源。
由于建筑耗能在人类整个能源消耗中占30％一40％，所以建筑节能意义重大，建筑啊使用保温隔热材料是节约能源、提高建筑居住和使用功能的一个重要措施目前，建筑外墙外保温工程所使用的有机保温材料本身的材料性能不能满足现有产品标准的阻燃性要求，尤其是挤塑聚苯乙烯保温板(XPS，简称“挤塑板”)国内连续发生多起建筑火灾事故，这当中，易燃性外墙保温材料已成为引发建筑火灾的一个重要诱因，因此，研究并推广隔热性能良好的新型保温材料成为当务之急，新型气凝胶高效隔热复合材料的开发对于解决这一难题具有十分重要的意义1 SiO2气凝胶介绍及特性SiO2气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料，它具有纳米结构(孔洞l～100 nm，骨架颗粒为1.20 nm)、表面积大(最高可达800～1000m2／g)、孔洞率高(可高达80％～99．8％)等特点[1]SiO2气凝胶独特的结构特性使得其在热学、电学、声学、光学等方面具有优异的性能产品具有很高的附加值，因此，被称为超级保温材料，在建筑节能、能源、环保、航空航天、输油管道、太阳能集热、炉窑保温等很多领域具有极大的应用潜力SiO2气凝胶的主要特性如下：1.1 优异的隔热性能SiO2气凝胶具有优异的绝热性能，常温常压下Si0：气凝胶粉体总导热系数小于0.015 W／(m·K)，块体总导热系数小于0.013 W／(m·K)，真空条件下粉体总导热系数小于0.003W／(m·K)，块体总导热系数小于0.007 W／(m·K)，远低于常温下空气的导热系数[0.025 w／(m·K)]，为目前世界上高温隔领域导热系数最低的材料之一。
1.2独特的耐火焰烧穿性能SiO2气凝胶自身不可燃，具有独特的耐火焰烧穿性能，可长时间承受火焰直接灼烧在高温或火场中不释放有害物质，同时能有效阻隔火势的蔓延，为火场逃生提供更多宝贵时间1.3 良好的热稳定性SiO2气凝胶热稳定温度高达600℃(700℃以上孔隙率降低，直至烧结成致SiO2，在300℃以下使用具有超级疏水性1.4 优异的隔声性SiO2气凝胶还具极低的密度、极低的声传播速度、极低的介电常数、极高的比表面积等优异性能SiO2气凝胶以其优异的保温隔声性能有望成为一种环保型高效保温隔声轻质建材1.5 较好的透光性SiO2气凝胶还具有透光性，可以有效地透过可见光，同时可以高效地阻隔红外辐射，因此，用于建筑物可以很好地兼顾采光和节能1.6 很好的化学稳定性和环保性SiO2气凝胶主要成分为合成SiO2，环保无毒，可长期耐受除氢氟酸外的大部分酸碱环境，不分解、不变质，在常规使用环境下具有极长的寿命，是一种防潮、防霉、防菌、抗紫外线、整体疏水不会引起变形，并具有优良的绝热性和隔声性能，可被开发成为良好的完全可循环的生态建筑材料SiO2气凝胶的表观密度为0.003~0.350 g/cm3，比表面积为600~1000m2/g，平均孔径约20nm，平均粒径2～5 nm，耐热度为500℃，热膨胀系数为2.0×10-6~4.0×10-6，介电常数约1.1(ρ=0.1 g/cm3)，声音传播速度100 m／s(ρ=0.07 g/cm3)。
SiO2气凝胶外观及耐热性能测试示意见图l 图1 SiO2气凝胶外观及耐热性能测试示意图2 SiO2气凝胶的制备2.1 气凝胶制备工艺的化学过程溶胶-凝胶工艺是目前制备气凝胶应用最广泛技术最成熟的一种工艺自1931年气凝胶首次制备成功至今，经过几十年的努力，目前SiO2气凝胶的制备由两个过程构成[2]：溶胶-凝胶过程和醇凝胶的干燥工艺气凝胶制备的溶胶凝胶过程中主要发生两项化学反应：前驱体（硅酸甲酯、水玻璃或正硅酸乙酯）在适当催化剂的作用下的水解反应和部分水解的有机硅发生缩聚反应 前驱体材料水解生成Si(OH)4基团，Si(OH)4基团之间发生缩聚反应，彼此连接在一起，最终形成网络结构的凝胶在这个过程中，水解反应和缩聚反应同时进行，水解反应和缩聚反应的相对速率决定了所形成材料的结构、密度、凝胶颗粒形态及分布的特性水解反应在酸性条件下进行地相对较快，这种情况下体系中存在大量硅酸单体，利于成核而不利于单核成长，最终将形成弱交联度、低密度网络的凝胶；缩聚反应在碱性条件下进行相对较快，这种情况下体系中硅酸单体较少，利于单核成长不利于成核，最终得到胶凝颗粒聚集度较高的凝胶2.2 气胶凝材料的干燥技术气凝胶的干燥是整个制备过程中的关键技术，干燥所形成的气凝胶材料网络结构的完整程度决定了气凝胶材料的性能。
前驱体在经过水解和缩聚反应形成网络结构体后，需要在保持原有网络结构的前提下排除液相溶剂，才能得到固相的气凝胶材料溶剂在排除过程中会因气凝胶微结构形成毛细管力，常温常压下进行干燥所产生的毛细管力将大于网络结构的支撑力而对凝胶网络结构形成破坏，只能制备出固体粉末而难以得到块体材料因此，要得到性能优良的气凝胶材料，干燥过程中必须使网络结构强度大于毛细管力以保持较为完整的网络结构提高凝胶结构网络结构的支撑强度和降低毛细管力的影响是气凝胶材料干燥的两个技术方向目前来说，制备气凝胶材料所用的前驱体一般限于硅酸甲酯、水玻璃和正硅酸乙酯3种，而气凝胶前驱体所需条件苛刻，前驱体材料的开发进展有限，要通过开发合适的前驱体材料以达到增强网络结构强度而开发干燥工艺十分困难气凝胶制备最初使用的是超临界干燥工艺，其原理是将液/气界面消除或者转化为对网络结构产生较小附着力的界面，使其在干燥过程中对网络结构的完整程度破坏在有限范围内一般的，超临界干燥工艺的温度较高，而按照超临界干燥工艺原理，将干燥工艺过程中所使用的干燥介质用CO2替换，干燥的工艺温度可以降至 30℃附近，从而开发了低温超临界干燥技术且二氧化碳为不燃气体，也非助燃气体，因此，可以有效地减少爆炸事故的发生，也大大降低了干燥过程中的危险性。
依据利用转化界面降低对结构破坏的原理开发出的另一种气凝胶干燥技术就是冷冻干燥冷冻干燥是将液/气界面转化为固/气界面，其原理在于在低温下将溶剂转化为固相，通过固+气升华的方式消除毛细管效应的影响，保持气凝胶材料多孔的网络结构特性通过选用合适的溶剂可以改善干燥工艺条件和环境根据研究[2]，增加毛细管半径rm，增大接触角θ和减少溶剂的表面张力等技术手段可达到减小结构破坏力的目的，这为开发新的干燥技术提供了理论依据（见图2）通过使用表面张力低的溶剂替代原表面张力较高的水和醇，可以使溶剂在干燥过程中对毛细管壁产生较小的附加压力，有利于保持较完整的凝胶网络结构，从而实现气凝胶的干燥图2 凝胶干燥模型图2.3 改善气胶凝材料性能的研究在纳米孔超级绝热材料的研究方面，我国目前还处于起始阶段在20世纪末和21世纪初姜鸿鸣[3]和同济大学的沈军[4]等提出了将气凝胶作为绝热材料的观点，并进行了研究，但是气凝胶材料脆性大、强度低仍然是未能解决的作为绝热材料应用的关键技术SiO2气凝胶大规模工业应用的瓶颈在于其生产制造工艺的技术门槛较高；原材料价格比较昂贵；以及其强度较低，无法单独应用等大量学者研究了纤维增强SiO2气凝胶复合材料，掺杂莫来石纤维制备纤维增强SiO2气凝胶材料是这方面比较重要的一个进步。
董志军[5]等以TEOS(正硅酸乙酯)为硅源，以莫来石纤维作为纤维增强材料，采用溶胶-凝胶工艺和超临界干燥技术制备了一种莫来石纤维增强SiO2气凝胶材料添加了莫来石纤维制备的纤维增强SiO2气凝胶的机械性能和力学性能得到了大幅度的改善莫来石纤维添加量控制在3%(质量分数)左右可以使SiO2气凝胶材料保持较低的导热系数和较高的机械强度国内学者也有使用硅酸铝纤维或者玻璃纤维与纳米二氧化钛混合体[9]作为增强材料制备了纤维增强的气凝胶材料，这些材料同样保持了较为优秀的保温隔热性能3 SiO2气凝胶在国内外的研究及在建筑应用进展3.1 SiO2气凝胶国内外研究进展SiO2气凝胶早在70年前就已经被发现，1931年美国加州太平洋大学的Kistler S采用了超临界干燥的方法从水凝胶中去除水分，得到了第1份没有收缩的气凝胶材料，但早期的气凝胶非常易碎且价格昂贵，所以主要在实验室里使用直到10年前美国宇航局开始对这种物质感兴趣，并让其走出实验室发挥更为实际的用途美国阿斯彭(ASPEN)公司对气凝胶隔热的研究较早，对气凝胶隔热机理认识比较深刻，主要针对柔性气凝胶隔热产品的开发和应用但是，美国气凝胶产品对中国却完全禁用。
国内的同济大学、厦门大学、北京科技大学等对SiO2气凝胶也有研究，但都仅限于基础研究领域浙江绍兴的纳诺高科有限公司率先将SiO2气凝胶产业化，但该公司在生产过程中要用到价格昂贵的有机硅作为原料，同时还要应用投资较大的超临界技术，因此，生产的SiO2气凝胶价格非常昂贵(高达2000~3000元/kg)，限制了其应用范围3.2 SiO2气凝胶的应用图3 气胶凝材料应用领域SiO2气凝胶在建筑上的应用，在国内尚属空白，现在的研究主要在开发高附加值的应用产品(图3)，如应用在航天、药物载体等[6]而在国外，自2000年以后。