【原創】玻璃、板材、涂料，好建材為什么加氣凝膠？

2022-07-11
來源：中國粉體網昧光

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[導讀] 在建筑材料領域，二氧化硅（SiO2）氣凝膠材料表現如何？

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1前言

在建筑材料領域，二氧化硅（SiO₂）氣凝膠材料具有質量輕、密度低、比表面積高、熱導率低和透光性高等特性，使得其成為一種新型納米輕質、多功能、節能環保的材料。目前，二氧化硅氣凝膠的應用形式主要有氣凝膠節能玻璃、氣凝膠涂料、氣凝膠氈墊、氣凝膠板材、氣凝膠混凝土和砂漿以及屋頂太陽能集熱器等。

2氣凝膠特性

SiO₂氣凝膠為特殊三維網絡結構，孔徑小于空氣分子的平均自由程，能阻隔熱傳導、熱對流、熱輻射，導熱系數低至0.017~0.040W/（m·K），此外還具有低密度（0.1~0.5g/cm³）、高比表面積、高吸附性、優良疏水性（水接觸角大于145°）、與基材緊密貼合、易與其它材料復合、能有效消除CUI（保溫層下腐蝕）、符合RoHS標準限值等優點，成為當前熱門的功能填料。

SiO₂氣凝膠圖源：中航科學研究院（廣東）有限公司

3氣凝膠制備

（1）制備流程

二氧化硅氣凝膠的制備過程主要包括：水解、縮聚、老化、干燥。

二氧化硅氣凝膠合成示意圖

水解：以TEOS為例，在催化劑的作用下硅源水解后形成溶膠，生成物中活性Si-OH增多，為后續縮聚反應提供活性反應位點。

縮聚：在合適的催化劑作用下，活性Si-OH之間發生聚合，形成-Si-O-Si-長/短鏈相互連接的三維骨架凝膠。根據使用的分散介質分類，凝膠可以分為水凝膠和醇凝膠。

老化：通常將凝膠浸泡在母液中老化，從而增強凝膠強度，降低干燥過程中骨架坍塌和收縮風險。

干燥：在保留凝膠三維骨架結構完整的條件下去除孔隙中的液體，因此該過程需要采用特殊的干燥處理方法。

（2）干燥工藝

二氧化硅氣凝膠制備過程中最為關鍵的環節是干燥環節，要在保持凝膠網絡不被破壞的前提下從基質中去除溶劑，從而產生體積和形狀不變的多孔固體。

目前常用干燥技術有，超臨界高壓干燥、冷凍干燥和常壓干燥。其中，超臨界高壓干燥工藝的技術門檻低、干燥效果好，是目前最普遍應用的干燥方法。然而超臨界高壓干燥方法設備復雜、高壓工藝較危險且成本高，因此低成本的常壓干燥方法是未來發展趨勢。

SiO₂氣凝膠的低成本常壓干燥制備技術流程

（3）力學性能補強

天然SiO₂氣凝膠的主要缺點是其固有的脆性，這大大限制了它的實際應用。因此，補強天然SiO₂氣凝膠的力學性能也十分必要。例如，熱處理法、纖維復合增強法、高分子聚合物復合增強法等。

纖維復合增強氣凝膠微觀結構

4建材領域應用

（1）節能玻璃

SiO₂氣凝膠制成的玻璃同時具有高透光性和低導熱系數兩種特性，可廣泛用作建筑玻璃。可減少室內外熱量對流，起到良好的保溫隔熱作用，又不影響室內采光；同時具有調色和吸聲的作用，應用優勢顯著。

目前，SiO₂氣凝膠在建筑玻璃中有兩種常用形式：一是雙層玻璃的夾層中，二是作為玻璃的外鍍膜。

節能玻璃

（2）隔熱涂層

SiO₂氣凝膠隔熱保溫材料是一類具有超低導熱系數的新型納米材料，具有很高的孔隙率，其空間網絡結構中的孔隙能夠有效地阻隔固體熱傳導，并延長空氣熱對流路徑，其室溫下的導熱系數可低至0.013~0.016W/（m·K），低于空氣的導熱系數0.025W/（m·K）。將具有超低導熱系數的SiO₂氣凝膠用于涂料中能顯著提高涂料的隔熱保溫效果。