SiO2氣凝膠的制備在建筑科學方面的應用

摘要：氣凝膠作為一種納米多孔結(jié)構(gòu)的固體新材料，具有超輕、絕熱、透明、防火等優(yōu)異特性。氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有巨大的應用價值，能夠顯著提高保溫效果、節(jié)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(jié)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(lǐng)域的發(fā)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(zhì)類似玻璃,雖然質(zhì)量很輕,但質(zhì)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(shù),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(zhì)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(jīng)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(jié)果表明:材料的磁性能優(yōu)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(qū)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(yè)化生產(chǎn)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(yōu)異力學性能的納米at／mvq復合材料。結(jié)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(shù)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(zhì)，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(shù)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(shù)較低，因而成為國際關(guān)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(tǒng)的應用，實現(xiàn)高效節(jié)能與防火兼?zhèn)?，提升建筑?jié)能水平，推進建材行業(yè)循環(huán)、綠色、低碳發(fā)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(shù),是一種高溫隔熱透波性能良好的材料。分析了夾層結(jié)構(gòu)天線罩寬頻帶透波的原理,介紹了夾層結(jié)構(gòu)天線罩的研究進展。結(jié)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(jié)構(gòu)天線罩內(nèi)層材料的需求,必將在夾層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qū)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(wěn)定性進行了分析.結(jié)果表明,該薄膜平整均勻、具有良好的光學透明性、熱穩(wěn)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(zhì)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(xiàn)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(jié)能領(lǐng)域的應用,特別是在我國建筑節(jié)能領(lǐng)域的應用還屬新鮮事物。介紹了氣凝膠材料及其國內(nèi)外研究進展,介紹了西方國家中氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)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(shù)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(zhì),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(shù)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(yè)石蠟為相變芯材,在硅烷偶聯(lián)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(shù)對石蠟/sio2儲能相變材料的結(jié)構(gòu)和性能進行了測試和分析,最后利用瞬態(tài)熱線法對石蠟/sio2儲能相變材料的導熱系數(shù)進行了測試.結(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)及形貌變化。結(jié)果表明:溶膠-凝膠法得到的bzbs玻璃粉經(jīng)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(jīng)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(tài)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)及超低的導熱系數(shù)引起人們廣泛關(guān)注。以纖維氈為基材與sio2氣凝膠復合,經(jīng)表面修飾和常壓干燥制成的超低導熱系數(shù)保溫隔熱材料,既保留了純氣凝膠獨特的納米孔結(jié)構(gòu)及超低的導熱系數(shù),又大幅度提高了機械強度,擴展了其在保溫隔熱領(lǐng)域的應用。該材料常溫常壓下導熱系數(shù)小于0.025w/(m·k),抗壓強度大于2mpa,是一種新穎的優(yōu)質(zhì)保溫隔熱材料。

具有納米多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的sio2氣凝膠與透氣性優(yōu)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(tǒng)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(guān)系,復合工藝對氣凝膠孔結(jié)構(gòu)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(jié)合實驗數(shù)據(jù)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(jié)果表明,該透明隔熱涂料具有良好的化學穩(wěn)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(fā)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(fā)揮作用。氣凝膠的高分子化及多功能化也將成為今后發(fā)展的重要方向之一。

研究探明了有機染料的熒光發(fā)射波長的位移機制。ｒ６ｇ和ｒｂ染料隨摻雜濃度的提高而出現(xiàn)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(nèi)酯化產(chǎn)物形成而降低。

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

納米氣凝膠玻璃 納米氣凝膠具有如下特征： 透光性； 熱舒適性； 對人體無害； 它具有廣泛的應用領(lǐng)域，構(gòu)建便捷，作為半透明超級隔熱產(chǎn)品，提供給需要照明的行業(yè)、 會議中心、特殊試驗中心、高檔酒店等。 納米氣凝膠玻璃的特點： 上層自然光透明度（約40％），可以有效地利用太陽能，節(jié)約照明用電； 導熱系數(shù)低，保溫性能好，70毫米的u值為0.26w/m2k； 環(huán)保、無毒、無腐蝕性； 半透明氣凝膠可以到達在現(xiàn)有技術(shù)上兩倍的光傳輸和隔熱功能，可成為全部或任何墻壁 或屋頂結(jié)構(gòu)的一部分。它也可被用在窗戶上。 辦公室墻面屋頂結(jié)構(gòu)外層 倉庫和工業(yè)

0引言 節(jié)能減排對社會可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作 用，也是當今世界各國所共同面臨的任務和挑戰(zhàn)。 2006年我國民用建筑(運行)能耗占當年社會總能耗 的23.1%，而且隨著城市化率的提高、經(jīng)濟發(fā)展、人們 收入和生活水平的不斷改善，能耗總量將持續(xù)增長[1]。 因此，降低建筑能耗是節(jié)能工作最重要的任務之一。 影響建筑能耗最直接的因素是建筑圍護結(jié)構(gòu)的 保溫隔熱性能，而門窗是圍護結(jié)構(gòu)中保溫隔熱的最薄 弱部位，是影響建筑節(jié)能的最主要因素之一。就目前 我國典型的建筑圍護結(jié)構(gòu)而言，門窗的能耗約占建筑 圍護結(jié)構(gòu)總能耗的40%～50%。而且，目前我國的門 窗節(jié)能水平與發(fā)達國家相比有很大的差距：在建筑能 耗方面，我國居住建筑外窗單位能耗為氣候條件相近 發(fā)達國家的1.5～2.2倍[2]；在節(jié)能標準方面，發(fā)達國家 達到較高水平，如德國要求外窗傳熱系數(shù)限值為 1.5w/(m