气凝胶复合制品在建筑领域应用可行性分析

刘颖卓 周俊钧 李玉良 隋承鑫

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

0 引言

在建筑领域，保温材料种类繁多，主要分为两大类：无机棉类保温材料和有机高分子类保温材料。无机棉类保温材料具有优异的防火及耐高温性能，但吸水能力强且吸水后产品本身保温效果变差；有机高分子保温材料具有质轻、导热系数低、吸水率低等特点，曾经在建筑保温材料市场中占据主流地位，但随着国家对产品防火性能要求的提高，很大程度上限制了其在国内建筑中的应用。气凝胶复合制品因其优异的保温性能、防火性能和高温稳定性等，同时满足了建筑领域对保温材料的保温及防火要求，已成为建筑保温领域中备受关注的新型材料。

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚集构成的具有纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，其固体相和孔隙结构均为纳米尺度[1-2]。气凝胶被誉为世界上密度最小的固体之一，密度为3.0kg/m3，仅为空气密度的2.75倍，被称为“冻结的烟”。正是由于其微观结构呈现出“蜂窝状”的多孔形貌，使其具有比表面积大、孔隙率高、密度低、热导率低等特点。气凝胶的合成过程一般要经过溶胶-凝胶聚合和超临界干燥两个过程[3-4]，其中溶胶-凝胶工艺的实现一般有三种方法，1）胶体粉末溶胶的凝胶化；2）醇盐或硝酸盐前驱体经水解和缩聚形成凝胶；3）在溶液中聚合物单体聚合或几种聚合物单体共聚形成凝胶。

气凝胶虽然质轻、孔隙率高、热导率低，但由于强度低、脆性大等缺点限制了其在建筑外墙保温领域的推广[5]，因此，气凝胶在建筑保温隔热领域的应用主要是将其与无机纤维等复合，不仅保留了气凝胶本身的优异特性，还弥补了机械性能差等缺陷，使其制品在工程中得到广泛应用。目前，气凝胶复合制品在热力工程应用较多，以SiO2气凝胶复合制品为主。本文将主要探究气凝胶复合制品在绝热、防火和耐高温等方面的优异表现，阐明其在建筑领域应用的可行性。

1 气凝胶复合制品特性研究

气凝胶复合制品保留了气凝胶优异的保温、防火和高温稳定性等特性，在建筑领域可作为绝好的隔热保温、防火材料被广泛应用。以下将从隔热性能、防火性能和耐高温稳定性能方面与常规保温材料进行对比，表明气凝胶复合制品在建筑保温领域应用中具有巨大的优势。

1.1 隔热性能

在建筑领域中，保温材料的导热系数大小是衡量材料隔热性能优劣的重要参数。在常规的保温材料中，玻璃棉、岩棉、硅酸铝棉等无机棉类材料常温下导热系数一般在0.036～0.050W/（m·K)范围内，聚苯板、挤塑板、聚氨酯等有机保温材料常温导热系数在0.021～0.041W/（m·K)范围内，而气凝胶复合制品在常温下导热系数通常会低于0.023W/（m·K)，甚至较好产品会低于0.017W/（m·K)，这是传统保温材料所不能达到的。其主要原理是材料本身特殊的纳米三维孔隙结构：1）具有的高孔隙率、低导热系数等特性，可以极大地抑制热传导；2）50-60纳米的气凝胶孔隙使得空气分子无法自由流动，对流传热将会受到很大程度的抑制；3）1毫米厚的气凝胶材料就含有上万层的孔壁，而这些孔壁均可视为辐射的反射面和折射面，这种结构最大限度地抑制了热量传递（热传导、热对流和热辐射），使得其导热系数很低。

表1 不同气凝胶复合制品的导热系数

根据国标GB/T 34336-2017《纳米孔气凝胶复合绝热制品》，对6 组气凝胶复合制品进行25℃条件下导热系数的测定，测试结果如表1所示，导热系数均低于0.023W/（m·K)。

研究表明，随着温度的升高，气凝胶复合制品优异的隔热性能更加突显[6]。为更好地说明气凝胶的隔热性能，我们进行了不同材料导热系数对比，包括硅酸铝棉、岩棉、玻璃棉、酚醛、聚氨酯、挤塑板、模塑板，图1中是气凝胶制品与常规保温材料在温度范围0-600℃之间选择10个温度点进行导热系数测量，分别是0℃、25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、300℃、400℃、500℃和600℃（测试温度不超过材料使用温度上限）。

图1 各种保温材料导热系数随温度变化曲线

通过图1中可以看出，常温时，气凝胶复合制品导热系数低于常规保温材料，且随着温度的升高，其导热系数的增长远低于其他材料，即在越高温度条件下，气凝胶复合材料的保温优势越明显。气凝胶复合制品若应用于建筑外墙保温、屋面保温或者被动房中，能够有效避免建筑空间内外热量流失，而且还可以减少保温层厚度和铺设面积，降低了工程成本；直接解决了由于保温层厚度大而造成的空鼓开裂、脱落等风险。

1.2 燃烧性能

随着我国建筑节能强制措施逐步推行，建筑外墙保温技术在建筑中被大量采用，但应用的重要条件是其防火安全性。在建筑保温材料应用中，保温材料的燃烧性能是备受关注的。在火灾发生时，燃烧性能不佳的外保温材料对火灾的垂直方向蔓延有很强的促进作用，所以为了降低火灾风险，必须对保温材料的燃烧性能提出严格要求。气凝胶复合制品不仅有良好的保温性能，而且还具有优异的防火性能。由于气凝胶复合制品是通过溶胶凝胶法，将增强材料与溶胶复合，然后用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成，用于复合的增强材料通常是无机纤维材质，再加上气凝胶本身防火性能优异，因此气凝胶复合制品防火性能表现优异。

表2 不同气凝胶复合制品的燃烧性能

表2是对6组气凝胶复合制品按照GB 8624-2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》进行燃烧性能测试的结果，2组气凝胶复合制品燃烧性能达到B1级难燃制品，4组为A级不燃制品。

1.3 高温稳定性

气凝胶复合制品除具有良好的绝热性能、防火性能外，还可在高温环境下具有持久的稳定性，几乎不发生体积收缩、熔融、烧结、降解等现象。气凝胶复合制品在高温下导热系数表现优秀，且经高温试验处理后的样品的常温导热系数与未经高温处理的样品导热系数试验结果相比变化较小。试验结果表明，在低于600℃环境中，气凝胶复合制品的线性收缩率极小，几乎可以忽略，而且气凝胶内部结构在高温环境中不会发生变化，仍为非定型结构[7]，说明气凝胶复合制品的耐高温稳定性能相比于常规保温材料是非常优异的。

1.4 其他特性

气凝胶是一种质量超轻、密度极小的固体材料，即使与其他无机纤维材料复合成为气凝胶复合材料后，在实际应用中，样品厚度较小，所以总体质量依然轻于同等满足节能要求的其他无机产品，可以避免由于过重而造成的脱落等危险。

另外，在气凝胶复合制品制备过程中通常会加入适量的憎水剂进行改性，改性后气凝胶复合制品的憎水性能是非常优异的，使用效果优于其他无机保温材料。

2 结语

在世界能源日益匮乏的背景下，我国对社会节能减排越来越重视，尤其是在建筑领域，不管是常规的建筑保温材料还是新型的保温材料都要求达到节能减排的标准。气凝胶复合制品虽然生产成本相对较高，但其在隔热保温、防火和耐高温稳定性等方面均表现出优异的性能，能够很好地适应国家的节能减排政策，能够在未来在建筑领域发挥其重要作用。只要行业不断创新和改进气凝胶复合制品生产工艺，降低生产成本，气凝胶复合绝热制品最终会在未来建筑保温领域中占有重要一席。