气凝胶材料在建筑节能领域用途广泛

发布时间:2022-08-12 02:56:03 来源:火狐体育娱乐 作者:火狐体育首页进入

  隔热、保温、轻量化,气凝胶材料满足建筑节能要求,符合建筑轻量化发展趋势。

  20世纪90年代以来,气凝胶在全球范围内受到广泛关注,各国在其研究上投入了大量的资金和人力。国内对气凝胶的研究也积累了较多的研发经验,为气凝胶材料的推广应用创造了有利条件。

  气凝胶可分为无机气凝胶、有机气凝胶和碳气凝胶,其中无机气凝胶是以有机金属物质为原料,通过超临界干燥法进行制备,最终形成的低密度非晶固态材料。无机气凝胶具有多种形式,常见的有陶瓷粉末、多元氧化物气凝胶、超细金属、单元氧化物气凝胶等。有机气凝胶主要材料为甲醛和苯二酚,制备过程只是在无机气凝胶制备工艺上略有由改进。碳气凝胶主要是通过炭化热固性有机气凝胶获得的一种纳米碳材料,主要具有非晶态、轻质、多孔特征,这种材料具有很强的导电性。

  气凝胶材料拥有很多特性,对建筑节能应用而言,一个重要性能就是保温。气凝胶材料具有高孔隙率,传热功能较为突出。首先,气凝胶材料具有低密度,热传播路径在气凝胶结构中较长,极大降低了热传播效率。其次,气凝胶材料粒径小,通常在20nm以下,这种粒径会限制空气分子在气凝胶材料中的自由活动,降低了空气的对流热导率。导热率极低的气凝胶可以阻挡大部分红外辐射,而热辐射的波长也很低。因此,气凝胶具有良好的隔热效果。

  气凝胶材料密度在0.16~4.0kg/m³之间,远低于其他材料密度,符合建筑轻量化发展趋势。此外,气凝胶材料还具有防火、隔声、耐腐蚀等优势。

  气凝胶保温砂浆是以硅酸盐水泥为胶凝剂,加入气凝胶、SiO₂、玻璃微珠制成的。玻璃珠的尺寸比气凝胶颗粒大得多,可以填充到砂浆基质中,较小的气凝胶颗粒将间隙进一步填充,使孔隙率尽可能减小,保温砂浆的导热系数也随之下降,可以获得预期的建筑保温效果。将保温砂浆应用于建筑外墙表面,砂浆越厚,内外温差越大。由此可见,气凝胶保温砂浆可以将热量阻隔,能够提升建筑结构的整体保温节能效果。在混凝土中加入气凝胶后,明显降低了混凝土的重量和导热系数,但也会损害混凝土的机械强度,所以气凝胶混凝土应避免在承重墙使用。

  气凝胶粉末可用于内墙涂料,作为结构隔热措施的补充,不仅适用于建筑内墙的保温,也适用于外墙、楼顶保温。

  内墙保温是建筑保温工程的一个重要内容,但往往也容易被忽视,内部热量通过内壁扩散,并传递到外部。内墙的保温需要达到最基本的保温要求,还要具有防火功能,应选择无污染材料。使用气凝胶保温板能够提升保温、隔声效果,还能满足承受400℃以上的防火需求。气凝胶粉末可用于内墙涂料,作为结构隔热措施的补充,不仅适用于建筑内墙的保温,也适用于外墙、楼顶保温。气凝胶粉末产品主要材料为气凝胶和纳米SiO₂,经过特殊工序制成,孔径极小,能够满足保温性能要求,可广泛用于建筑保温层中。

  在热水器的储水箱、集热器、管道等部位应用气凝胶材料,热损失较以往可减少30%以下。

  气凝胶材料在屋顶太阳能集热器中的应用由来已久,主要用于太阳能热水器的保温装置中,使太阳能利用效率有效提高,更具实用性,能够满足人们的生活需求。在热水器的储水箱、集热器、管道等部位应用气凝胶材料,与普通材质的太阳能热水器相比,能够增加至少1倍的集热效率,热损失较以往可减少30%以下。

  气凝胶毡疏水性、隔热性特征显著,可以提高管道保温效果,是一种理想的保温材料。管道可以用气凝胶毡包裹,作为保温结构的主要保温层,金属保护层作为第二道保温措施,可以对气凝胶保温层起到保护作用。在包裹多层气凝胶毡时,可采用交错重叠法来增强保温性能。气凝胶毡抗拉强度、柔韧性和抗压性较好,保温层施工较为简单。此外,气凝胶毡的疏水性使其导热系数在使用过程中几乎保持不变,气凝胶保温结构与传统保温结构相比,更有节能价值。

  使用气凝胶玻璃可以提高保温效果,使太阳辐射影响减小,满足人们的使用需求。

  气凝胶玻璃通常以中空、真空和夹层等形式降低玻璃的传热系数,而且能够提升降噪能力。气凝胶玻璃的节能效果明显,在夏热冬冷地区,气凝胶玻璃在夏季可以削弱太阳辐射,减少约20%的热损失。而在冬季,气凝胶玻璃能阻挡约40%的室内热空气,具有良好的节能价值。尽管窗户只占建筑围护结构的一小部分,但能耗约占总能耗25%,主要原因是建筑窗户没有起到保温作用,内部热量往往通过窗户扩散到室外。在夏季,阳光直接通过窗户照射到室内,导致室内温度升高。而使用气凝胶玻璃可以提高保温效果,使太阳辐射影响减小,满足人们的使用需求。气凝胶玻璃与普通玻璃相比具有较高的透光率,对室内采光没有太大影响。现阶段,气凝胶玻璃主要有两种类型,一种为夹层玻璃,另一种为镀膜玻璃。夹层玻璃对于气凝胶的消耗较多,相应的成本较高。相比之下,使用镀膜玻璃的价格远低于夹层玻璃,并且保温性能良好,可达88%透光率,不会对室内采光造成影响。

  气凝胶混凝土复合墙体是一种轻质保温墙体材料,由气凝胶填充和改性轻质骨料制成。在膨胀珍珠岩中填充气凝胶填充,可以制备气凝胶膨胀珍珠岩,并将其用作轻质骨料,形成一种新型隔热材料。气凝胶膨胀珍珠岩具有4.39MPa抗压强度,导热系数为0.062W/(m·K)。气凝胶结构主要是多孔网络,可以在钢结构表面覆盖气凝胶隔热复合材料,延长受灼烧时间,而不产生有毒物质。同时,气凝胶材料可以阻碍火势的蔓延,是A级不燃材料,可以用于建筑防火结构。

  气凝胶具有优良的性能,但纯净气凝胶材料强度较低,应进一步加强复合气凝胶材料的研发,将气凝胶材料与其他材料合理结合,有效增强材料使用性能,弥补气凝胶材料的不足。同时,还要进一步降低气凝胶的制备和使用成本,才能在建筑市场占据更大的份额,切实提高气凝胶材料的综合效益。(乔慧敏 王国华)

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