摘要：氣凝膠作為一種納米多孔結構的固體新材料，具有超輕、絕熱、透明、防火等優異特性。氣凝膠在建筑節能領域具有巨大的應用價值，能夠顯著提高保溫效果、節約能源。本文綜述了顆粒、氈、板和玻璃等氣凝膠在建筑上的多種應用形式，討論了其在節能門窗、管道保溫、墻體保溫、保溫涂料、混凝土添加劑等方面的使用方法及應用效果，展望了氣凝膠在建筑領域的發展方向。

這種被稱為“空氣凝膠”的固體是一種由玻璃和塑料制成的透氣性極強的高科技合成品,輕得像空氣一樣.空氣凝膠實際上早在20世紀30年代就成為科學家研制的對象,20世紀60年代被用作儲存火箭液體燃料的工具.最初的空氣凝膠是用氧化硅為原料制成的,其化學性質類似玻璃,雖然質量很輕,但質地松脆,而且極易受潮.利文提斯的研究小組將一小條一小條的氧化硅與一種聚氨醋“編織”在一起,但這樣得到的合成物仍然很脆,不夠堅固.于是研究人員改進合成技術,將只有納米大小的氧化硅條與組成聚氯醋的兩種成分之一的聚異氰酸醋“交叉編織”起來,于是得到了這種輕如空氣的空氣凝膠.與最初的氧化硅凝膠相比,新的空氣凝膠不但防潮,其強度更是增加了100倍.這種新的空氣凝膠因其質輕、堅固、防潮、隔熱,將有廣泛的應用前景.

以十二烷基苯磺酸鈉為表面活性劑,檸檬酸為催化劑,在硝酸鎳存在下間苯二酚和甲醛經過溶膠-凝膠反應、還原氣體保護下碳化處理得到球狀碳氣凝膠基磁性吸附材料。采用x射線衍射、掃描電子顯微鏡、磁力測試、粒徑分析對所制備磁性吸附材料進行了表征,結果表明:材料的磁性能優良,比飽和磁化強度和矯頑力分別為17emu/g、124oe,顆粒分布均勻,均值約5μm。通過原子吸收測試表明:材料對重金屬離子pb2+的飽和吸附容量可達62.5mg/g。

以正硅酸乙酯為前驅體,氨水、鹽酸為催化劑,通過溶膠-凝膠法制備了二氧化硅薄膜.采用提拉法將該二氧化硅薄膜鍍在用于太陽能電池組件的低鐵玻璃基底上.對薄膜進行了表面處理,薄膜疏水性大大提高,與水的接觸角由40°提高到了110°.設計并制備了大面積的樣品,400nm到800nm的平均透過率增加了5%以上.疏水性和耐刮擦性能達到工業化生產的需要.

以硅酸鈉為硅源，采用化學沉淀法在凹凸棒石表面原位生成納米sio2，制備sio2／凹凸棒石納米復合粉體。利用ftir，tg-dtg，tem，氮氣吸附脫附曲線等方法對復合材料進行表征。以它為補強劑，采用機械共混法對甲基乙烯基硅橡膠（mvq）進行填充，制備了具有優異力學性能的納米at／mvq復合材料。結果表明，在凹凸棒石表面存在無晶型的sio2粒子的同時，凹凸棒石分散體之間也存在sio2的聚集體，粒徑大約在6-8nm，復合材料應用在硅橡膠中具有補強效果．

近年來，市場上所用的模塑（石墨）聚苯乙烯泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等有機類保溫材料導熱系數較低，但燃燒性能達不到a級要求，燃燒時易釋放大量有害物質，消防隱患很大。雖然所用的巖棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等無機類保溫材料燃燒性能達到a級，但密度又偏大，導熱系數偏高，這都導致兩類建筑保溫材料在實際應用中的局限性。氣凝膠材料，被稱為“最輕的固體材料”，是一種無機材料，具有a級不燃的特性，同時其導熱系數較低，因而成為國際關注的新型隔熱材料，又被稱為“超級隔熱保溫材料”。本文通過探析低成本制備的氣凝膠材料在建筑外墻保溫系統的應用，實現高效節能與防火兼備，提升建筑節能水平，推進建材行業循環、綠色、低碳發展。

分析了sio2氣凝膠高溫隔熱特性和透波特性,與常用的隔熱材料和透波材料對比,sio2氣凝膠具有較低的熱導率和較小的介電常數,是一種高溫隔熱透波性能良好的材料。分析了夾層結構天線罩寬頻帶透波的原理,介紹了夾層結構天線罩的研究進展。結果顯示,sio2氣凝膠材料因其良好的高溫隔熱透波特性能夠滿足夾層結構天線罩內層材料的需求,必將在夾層結構天線罩上得到廣泛的應用。

采用溶膠-凝膠法,以首次合成的具有橋式結構的間苯二亞甲基二脲基丙基三乙氧基硅烷(m-xdupteos)和正硅酸乙酯(teos)為前驅體,共同水解縮聚制備了不同摩爾配比的橋式聚倍半硅氧烷/sio2雜化溶膠,并旋涂制膜.通過uv-vis,afm和tga對薄膜的光學性能、表面形貌和熱穩定性進行了分析.結果表明,該薄膜平整均勻、具有良好的光學透明性、熱穩定性和防潮性能.

我們制作了一種由π-共軛聚合物聚對苯撐亞乙烯(ppv)均勻摻雜sio2的塊狀溶膠-凝膠材料,該材料具有良好的光學品質和光學加工性能.通過掃描隧道顯微鏡(stm)、紫外-可見吸收光譜和付氏紅外光譜(ftir)等方法研究了它的非線性光學特性.在對材料進行的光學兩波耦合實驗中,觀察到了非對稱能量耦合現象,并對此進行了分析.從吸光度和兩波耦合衍射效率兩方面對比了含pmma和不含pmma的兩批不同摻雜濃度的ppv/sio2sol-gel材料的不同特性.

氣凝膠材料在建筑節能領域的應用,特別是在我國建筑節能領域的應用還屬新鮮事物。介紹了氣凝膠材料及其國內外研究進展,介紹了西方國家中氣凝膠在建筑節能領域已有的幾種應用形式,闡述了氣凝膠在墻體保溫中的應用思路。

近年來,市場上所用的模塑(石墨)聚苯乙烯泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等有機類保溫材料導熱系數較低,但燃燒性能達不到a級要求,燃燒時易釋放大量有害物質,消防隱患很大。雖然所用的巖棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等無機類保溫材料燃燒性能達到a級,但密度又偏大,導熱系數偏高,這都導致兩類建筑保溫材料在實際應用中的局限性。氣凝膠材料,被稱為\"最輕的固體材料\

以工業石蠟為相變芯材,在硅烷偶聯劑參與下,通過溶膠-凝膠法制備石蠟/sio2儲能相變材料.并利用透射電子顯微鏡,熱重分析,傅里葉紅外光譜儀和方差掃描量熱法等測試技術對石蠟/sio2儲能相變材料的結構和性能進行了測試和分析,最后利用瞬態熱線法對石蠟/sio2儲能相變材料的導熱系數進行了測試.結果表明,石蠟/sio2儲能相變材料的相變芯材石蠟在吸熱熔化后不會滲漏;石蠟/sio2儲能相變材料中石蠟的含量約為39%時,相變溫度和相變潛熱分別為39.15℃和59.33j/g;石蠟/sio2儲能相變材料的導熱系數為0.0845w/（m·k）,可作為一種良好的保溫隔熱建筑材料.

采用溶膠-凝膠法制備適合al2o3、aln陶瓷基板厚膜漿料用bao-zno-b2o3-sio2(bzbs)系無鉛低熔玻璃粉。研究了ph值、溫度對凝膠化過程的影響,并通過tg-dsc、xrd、sem等手段分析了玻璃粉體性能、結構及形貌變化。結果表明:溶膠-凝膠法得到的bzbs玻璃粉經500℃熱處理后其主要物相組成為非晶玻璃相和少量微晶,析出的主要晶相為baco3以及少量ba(co3)0.9(sio4)0.1和zno。溶膠-凝膠法制備的bzbs玻璃粉經850~900℃熱處理,不僅能與al2o3陶瓷基板,還能與aln陶瓷基板形成很好的潤濕,可以作為陶瓷厚膜金屬化電子漿料用玻璃粘結劑。

本文采用溶膠凝膠法,以聚四氟乙烯乳液(ptfe)和硅溶膠(sio2)為主要原料,在玻璃基片上制備了一種有機-無機雜化薄膜。利用接觸角測量儀和掃描電鏡等手段對樣品薄膜表面的接觸角大小和顯微結構進行了表征和分析,通過正交試驗和方差分析考察了原料配比、水浴溫度和陳化時間對薄膜表面接觸角影響的顯著性大小,并對疏水薄膜的工藝及顯微組織進行了研究。結果表明,影響接觸角的顯著性依次是:原料配比>水浴溫度>陳化時間;當vptfe:vsio2:vh2o=10:15:5(ml)時,常溫下制備的溶膠在陳化24h后所制樣品薄膜的靜態接觸角為98.73°,薄膜具有疏水性,此時薄膜具有凹凸不平的粗糙結構,表面有微米級的溝槽、凸起和線條狀組織。

sio2氣凝膠由于其獨特的納米多孔結構及超低的導熱系數引起人們廣泛關注。以纖維氈為基材與sio2氣凝膠復合,經表面修飾和常壓干燥制成的超低導熱系數保溫隔熱材料,既保留了純氣凝膠獨特的納米孔結構及超低的導熱系數,又大幅度提高了機械強度,擴展了其在保溫隔熱領域的應用。該材料常溫常壓下導熱系數小于0.025w/(m·k),抗壓強度大于2mpa,是一種新穎的優質保溫隔熱材料。

具有納米多孔網絡結構的sio2氣凝膠與透氣性優良的無紡布或氈進行復合,可得到具有高吸附性能的納米復合材料,其飽和吸苯率達到并超過了傳統的吸附材料。納米復合材料的飽和吸苯率與單位面積所復合的sio2氣凝膠量和其本身的飽和吸苯率成正比關系,復合工藝對氣凝膠孔結構的影響很小,符合一定的理論推導公式。

以sio2氣凝膠為功能填料,丙烯酸樹脂為成膜劑,制備透明隔熱涂料。將其涂覆于5mm厚的普通玻璃上制成涂層,并對涂層進行一系列性能測試,包括接觸角、紅外光譜、光學性能及隔熱效果等。結合實驗數據分析納米sio2含量對復合涂料性能的影響,得出最佳的涂料配方。結果表明,該透明隔熱涂料具有良好的化學穩定性和隔熱性能,在500w紅外燈照射10min時,樣品與空白玻璃溫差為11℃。

氣凝膠種類很多,從硅系、碳系、金屬氧化物系和高分子系四方面綜述了氣凝膠的研究進展,并對氣凝膠的發展方向進行展望。通過降低氣凝膠制造成本,提高其本身力學性能,將有助于氣凝膠在更廣闊的空間發揮作用。氣凝膠的高分子化及多功能化也將成為今后發展的重要方向之一。

研究探明了有機染料的熒光發射波長的位移機制。ｒ６ｇ和ｒｂ染料隨摻雜濃度的提高而出現的譜線紅稱是由于二聚物的形成導致的，而凝膠玻璃中ｃ１２０染料的紅移是由溶劑效應引起的。同時，ｓｉｏ２凝膠玻璃中ｒｂ的譜線紅移也可能由酯化反應所導致，這種紅移在熱處理至３００℃時可由ｒｂ的內酯化產物形成而降低。

實驗過程采用熱壓浸漬加入發泡劑方法制備發泡型sio2氣凝膠核/聚苯乙烯殼復合珠粒,當加入14份發泡劑珠粒在90℃、壓力0.9mpa條件下反應9h制備得到發泡劑含量為7%左右的可發性復合珠粒。同時對其發泡成型的原理、工藝流程、影響因素及參數控制等進行了研究,實驗結果表明,在蒸汽壓力為0.4mpa的條件下經40s制備得到發泡倍率為20左右、密度為0.025g/cm3的預發復合珠粒,再經過模塑蒸汽發泡,蒸汽壓力0.35mpa、通氣時間180s,最終制備出保溫性能優異(導熱系數可達0.026w/(m·k))、力學性能良好的sio2氣凝膠核/聚苯乙烯殼復合保溫板。

氣凝膠材料在節能建筑中的應用

氣凝膠材料密度小、導熱系數低,是建筑物節能材料的理想選擇,可廣泛應用于氣凝膠玻璃、保溫氈(板)、保溫砂漿和混凝土中,降低建筑物的能耗。