绝缘气凝胶的建筑应用aerogel insulation for building applications
11页1、绝缘保温气凝胶的建筑应用:技术发展水平综述摘要:气凝胶被认为是当今建筑用材中最有发展前景的高性能绝热保温材料之一。相较于传统绝热 材料,商用气凝胶表现出了惊人的性能特点:热导系数低至13mW/(mk),太阳光谱中的 高透射率以及建造行业的巨大潜力。这些给予了建筑师和工程师重新设计建筑方案的思路。 在这篇文章中,我们将综述绝热气凝胶的相关知识并详细介绍建筑方面的应用。目录1简介12合成方法22.1制备凝胶22.2老化32.3干燥32.3.1超临界干燥法32.3.2常压干燥法43硅气凝胶的固体性质43.1热导率53.2光学性能63.3声学性能73.4安全性及防火性能74气凝胶的建筑用途74.1 不透明绝缘气凝。84.2 半透明绝缘气凝胶85其它高性能绝热材料和方案96结论101简介2005年,建筑行业每年排放8.3Gt二氧化碳,超过许多发达国家温室气体排放的30%。改进 住宅和商业保温材料被认为是最经济的减排措施之一,因此传统保温材料变得更厚或者层数 更多,这导致建筑细节更加复杂,净楼层区域减少并加重轴承负重的建设。但与此同时,另 一种方案引起了大家的关注:空气作为绝对绝缘体,用它来研究和
2、发展高性能隔热材料和解 决方案便变得十分必要。(图1)图1. Aspen Aerogels公司生产的建筑用高性能绝热气凝胶虽然早在上世纪30年代,就发现了气凝胶与真空隔热板(具有发展前景的一种应用于建筑 的新型高性能隔热材料),但仅用于商业生产。对于全球29G$的绝缘市场,气凝胶技术的发 展具有重要的战略意义。在过去五年中,全球气凝胶市场增长了三倍,2008年达到83M$, 预计2013年将达到646M$。因此,气凝胶生产者将重点放在了减少成本,发展新型气凝胶 并瞄准由绝热和降噪气凝胶带动的巨大商业市场。图2表示了气凝胶的两种建筑应用示例。(图2)H *rrq ahyd ETMm-二三三A一n2?图2. Sculpture大楼与耶鲁大学艺术馆运用透明气凝胶窗墙作为建筑用绝热材料,本文将讨论气凝胶的技术发展水平。主要阐述两个方面:首先,大家 都在疑问:气凝胶的高热性是怎么来的,它的物理性状是什么。气凝胶惊人的性质源于它的 非常态物理和化学结构,这是由它高级复杂的生产过程决定的。因此,我们将首先解释气凝 胶的生产过程。其次,文章将综述气凝胶的现有建筑应用,主要是绝热和降噪方面的市场应 用以
3、及其他一系列的用途(如吸收剂、减震器、核废料存储、电池以及催化剂等)。2合成方法气凝胶是一种具有高孔隙率的干燥凝胶,最早由Kistler于上世纪30年代初发现。硅气凝胶 首先由传统的低温溶胶-凝胶法化学合成的,但相较于由湿凝胶蒸发烘干得来的干凝胶,气 凝胶本质上使用的是超临界干燥法,因此,干燥过后保持了其潮湿状态下的多孔质地。总的 来说,气凝胶具有高比表面积、非常低的体积密度和低折射率。此外,气凝胶的热导性能可 以承受液体介质老化及合成过程中的热处理导致的结构变化。气凝胶的合成基本分为三个阶段:采用溶胶-凝胶法的制备凝胶阶段,在母液中培养以防止 凝胶干燥过程中收缩的老化阶段,以及在特定条件下防止凝胶结构坍塌的干燥阶段。硅气凝 胶的简化反应公式(如最常见的绝缘气凝胶)可表示为:Si(OCH3)4 +2H2O 一 SiO2 +4CH3OHDorcheh和Abbasi最近撰写了关于硅气凝胶合成法的详细对比综述,本文在分析气凝胶合成 和发展方面也进行了引用。2.1制备凝胶由Brinker和Scherer定义的溶胶-凝胶法:是指固体纳米粒分散成液体团聚体再聚合成充满 液体的连续三维网状物的过程。
4、气凝胶本质上是一种由其液体介质分离出的固体框架物质。 硅气凝胶的纳米粒是直接从液体中生成的。硅气凝胶的主要前驱体是硅醇盐,正硅酸甲酯Si(OCH3)4(简称TMOS),正硅酸乙酯Si(OC2H5)4 (简称TEOS)以及多聚硅氧烷SiOn(OC2H5)4-2n(简称PEDS-Px)。PEDS-Px可从TEOS与一定 的水在酸性醇性介质中进行化学反应时获得,公式为:Si(OC H ) +nH O SiO (OC H ) +2nC H OH2 542n 2 54-2n2 5公式中的n需小于2。从绝热方面来看,相较于基于TEOS生产出的高质量透明TEOS气凝胶 单块,PEDS和TMOS气凝胶单块的热导率要低于TEOS气凝胶单块。其它的溶剂,例如乙醇 也是十分必要的,但是太多的水会产生低孔隙度凝胶。硅醇盐的水解反应需要较多的酸性催化剂、碱性催化剂或者两部式催化剂等。当固体纳米粒 分散再组合成能支撑液体的网状微粒,溶胶便成为凝胶。这需要固体纳米粒与液体进行相互 碰撞和聚合。这对一些表面基团活泼的纳米粒较容易,使它们在碰撞后能够通过粘合和静电 力聚合在一起。而另一些纳米粒则需添加额外的助剂。总的来
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