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纳米二氧化硅气凝胶新型制备技术及其在
建材领域的应用
作者:郭建平路国忠何光明
来源:《新材料产业》2012年第4期
郭建平教授、博士生导师,固废资源化利用与节能建材国家重点实验室、北京建筑材料科
学研究总院总工程师,理化分析测试中心主任,现主要从事超分子纳米化学、无机固体材料化
学、晶体学方面的研究,在SCI核心及外围杂志发表论文50多篇,申请专利1项,近5年主
持国家自然科学基金项目2项、省市级项目3项、企业委托项目1项。
文/郭建平路国忠何光明北京建筑材料科学研究总院有限公司固废资源化利用与节能建
材国家重点实验室
当今世界能源问题已经成为影响人类发展的重大问题,各国都意识到解决能源危机的出路
在于合理开发新能源的同时注重节约能源。由于建筑耗能在人类整个能源消耗中占30%~40%,
所以建筑节能意义重大,建筑物使用保温隔热材料是节约能源、提高建筑居住和使用功能的一
个重要措施。工程建筑的外墙保温是建筑节能的重要组成部分之一,其主要材料是绝热材料,
又称保温隔热材料,是一种对冷热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。
目前,建筑外墙外保温用保温材料仍以有机保温材料为主,其防火性能较差,存在很大的
安全隐患。外保温工程所使用的有机保温材料本身的材料性能不能满足现有产品标准的阻燃性
指标要求,尤其是挤塑聚苯乙烯(XPS)保温板。所以,2007年开始,随着有机材料如膨胀
型聚苯乙烯(EPS)保温板、XPS保温板开始被广泛应用于公共与民用建筑,火灾隐患也如
影随形。国内连续发生多起建筑火灾事故,尤其2009年“2.9”央视火灾、2010年“11.15”
上海火灾以及2011年“2.3”沈阳火灾损失巨大,触目惊心,社会反响极大,引起了国家领导
的高度重视。这当中,易燃性外墙保温材料已成为引发建筑火灾的一个重要诱因,为此,国家
公安部、住房和城乡建设部于2009年9月25日联合出台了公通字[2009]46号《民用建筑外保
温系统及外墙装饰防火暂行规定》,公安部于2011年3月14日公布了公消[2011]65号,要求
“民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料”。纵观市场,目前众多外墙保温系统仍无
法做到节能与防火兼备。因此,研究并推广隔热性能良好的新型保温材料成为当务之急,新型
气凝胶高效隔热复合材料的开发对于解决这一难题具有十分重要的意义。
一、纳米二氧化硅气凝胶的特性
纳米二氧化硅(SiO2)气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料,它具有纳米结构
(孔洞1~100nm,骨架颗粒为1~20nm)、表面积大(最高可达800~1000m2/g)、
孔洞率高(可高达80%~99.8%)等特点。纳米SiO2气凝胶独特的结构特性使得气凝胶在热
学、电学、声学、光学等方面具有奇异的性能。纳米SiO2气凝胶的导热系数可达到0.013W
/(m.K)以下,远低于常温下空气的导热系数0.025W/(m.K),是所有固态材料中隔热性能
最好的一种,且密度低、防水阻燃、绿色环保、防酸碱、耐腐蚀、不易老化、使用寿命长,是
其他传统材料所无法比拟的,产品具有很高的附加值,因此被称为超级保温材料,这些奇异性
能使之在很多领域具有极大的应用潜力,例如建筑节能、能源、环保、航空航天、输油管道、
太阳能集热、炉窑保温等领域。纳米SiO2气凝胶的主要特性(图1、表1)如下:
1.优越的隔热性能
由于纳米SiO2气凝胶的纳米孔超级绝热性能,常温常压下纳米SiO2气凝胶的粉体总
导热率小于0.015W/(m.K)、块体总导热率小于0.013W/(m.K),真空条件下的粉体总导热率
小于0.003W/(m.K)、块体总导热率小于0.007W/(m.K),为目前世界上高温隔热领域
导热系数最低的材料之一。
2.独特的耐火焰烧穿性能
纳米SiO2气凝胶自身不可燃,具有独特的耐火焰烧穿性能,可长时间承受火焰直接灼烧。
在高温或火场中不释放有害物质,同时能有效阻隔火势的蔓延,为火场逃生提供更多宝贵时间。
3.良好的热稳定性
纳米SiO2气凝胶热稳定温度高达600℃(700℃以上孔隙率降低,直至烧结成致密SiO2),
在300℃以下使用具有超级疏水性。
4.优异的隔声性
纳米SiO2气凝胶还具极低的密度、极低
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