摘要:氣凝膠材料是通過溶膠-凝膠法和特殊的干燥技術制備而得的一種新型材料，是一種具有低密度、低熱導率、低折射率、高孔隙率等優良物理性能的納米多孔材料。氣凝膠的耐高溫性能十分突出，在建筑材料領域擁有廣闊的應用前景。介紹了氣凝膠的制備過程，并且著重介紹了氣凝膠材料在建材方面的研究進展，對其在建材領域的未來發展方向進行了展望。

　　關鍵詞:氣凝膠;建筑材料;保溫隔熱;熱導率;密度

　　建筑材料論文范文：綠色建筑材料的發展與應用探究

　　摘要：在我國大力倡導低碳、環保、節能等發展理念的形式下，建筑施工領域也越來越注重綠色建筑材料的使用。基于此，本文重點針對綠色建筑材料的發展與應用進行了詳細的分析，以供參考。

　　關鍵詞：綠色建筑材料;發展;應用

　　2005年，建筑業的能耗占中國新增能耗達35%[1]。伴隨著環境問題的增多和能源問題的不斷惡化，更加經濟、節能、環保、高效的材料是解決建筑行業高能耗問題的合理研究方向之一。市場上常見的傳統無機保溫隔熱材料，如保溫砂漿[2]、巖棉[3]、泡沫玻璃[4]等，性能都有不足。

　　氣凝膠材料擁有低熱導、高孔隙率、低密度等優異特性[2]，遠遠優于目前常見的傳統無機耐高溫材料。市面上常見的保溫隔熱耐高溫材料，如擠塑聚苯板(XPS)、膨脹聚苯板(EPS)等，在面對火災等問題時存在嚴重的安全隱患。而氣凝膠材料具有優異的阻燃性能。同時，氣凝膠的制備成本和生產周期可控，故氣凝膠在將來能夠用于替代很多建筑材料或與傳統材料復合作為新型建材。因此，氣凝膠材料在建筑保溫隔熱、節能降耗方面擁有十分廣闊的研究前景和開發價值。

　　本文介紹了氣凝膠的制備方法、性能以及氣凝膠顆粒、氣凝膠隔熱板、氣凝膠泡沫混凝土和氣凝膠玻璃等材料，展望了氣凝膠在建筑行業的應用前景。

　　1氣凝膠的制備

　　氣凝膠材料是由納米級顆粒聚集成納米多孔結構材料，是一種填充有膠體顆粒或聚合物分子、以氣態分散介質充滿孔隙的多孔輕質材料[5]，是迄今已知的最輕的固體。可分為氧化物氣凝膠、碳/石墨氣凝膠、有機氣凝膠等[6]。

　　1931年，Kistler[7]創造了“aerogel”的概念，首次以水玻璃為原料，通過超臨界干燥技術合成得到氣凝膠材料。在20世紀80年代，Pekala等[8]研究制備出了間苯二酚/甲醛有機氣凝膠。在1992年國際材料工程會議上，Hunt等學者首先提出了超級絕熱材料的相關話題[9]。

　　之后，西方發達國家將氣凝膠廣泛用于航空航天、建材等領域，很多產品已經能夠投入商用。國內對氣凝膠的研究起步較晚，但發展迅猛，十幾年來已在氣凝膠的制備、性能檢測和應用開發方面取得了很多成果和經驗。1999年，張敬暢等[10]通過用廉價的無機鹽為原料，結合溶膠-凝膠法和超臨界干燥制備出了納米級的TiO2氣凝膠。

　　2019年，楊鎮源等[11]采用預聚體法制備出了聚酯型熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)/二氧化硅氣凝膠復合材料。氣凝膠在合成過程中，主要包括溶膠-凝膠轉變和干燥兩個階段，通過前驅體在適當催化劑的作用下發生化學反應得到濕凝膠，再通過干燥制備出氣凝膠。

　　溶膠-凝膠過程通過3個步驟將膠體溶液轉變為連續且無序的網狀結構:原料首先在溶液中發生水解反應;水解后的分子通過縮聚反應在溶液中聚集成小粒子簇，伴隨小粒子簇的增多進而聚集成大粒子簇;之后發生絡合反應，最終制得凝膠。

　　通過老化步驟，可以使凝膠結構中的網狀結構絡合粘結得更加穩定，結構中的連接網絡部分更加粗壯，進而使結構穩定。在之后的干燥過程中，不會因凝膠結構塌陷造成制備失敗。常見的老化過程是以乙醇作為老化液，在保持一定的環境和溫度下，老化一周左右的時間，期間定期更換老化液。老化后的凝膠需要進行干燥才可以得到最終的氣凝膠。

　　目前氣凝膠制備所用的干燥技術主要有常壓干燥、冷凍干燥以及超臨界干燥。常壓干燥是處理前驅體使其獲得疏水性，再通過升溫加熱獲得氣凝膠。冷凍干燥是通過使介質升華處理凝膠的干燥技術，用來避免產生氣-液界面。超臨界干燥是將濕凝膠中需要被干燥的介質轉變為超臨界態，使其表面張力降低為0，保證凝膠結構的完整和其優異的性能[13]。

　　氣凝膠優異的物理性能得益于其所具有的獨特微觀結構，但是微觀結構的形成依賴于氣凝膠本身的制備過程，因此改良氣凝膠的制備工藝是目前氣凝膠應用開發的主要方向[12]。

　　2氣凝膠的應用

　　氣凝膠擁有優異的保溫性能，其在節能方面擁有廣闊的應用前景，目前已有部分產品進入市場。

　　2.1氣凝膠顆粒

　　SiO2氣凝膠分子聚合起來形成的粒狀物質被稱為氣凝膠顆粒，根據分子性質可分為疏水性和親水性。通常制備方式有兩種:一次成型法，用甲酰胺作為催化劑，水玻璃為凝膠前驅體[15]，通過溶膠-凝膠法制備出SiO2氣凝膠顆粒;二次成型法，先制備出塊狀SiO2氣凝膠顆粒，再按照所需粒徑大小制備顆粒。

　　據報道，美國烏爾里克·鮑爾等已制備出粒徑小于1μm的氣凝膠顆粒(專利號為CN200880015808.X)。因其制備的簡易性，可推出商用型氣凝膠顆粒，國內外都有公司推出相關產品，如美國卡博特公司和廣州埃力生公司。通過控制氣凝膠顆粒大小和密度，可與普通無機材料復合制備保溫砂漿，按照所需比例要求用于墻體外保溫層材料、墻體夾芯保溫填充層材料等[16]。

　　2.2氣凝膠絕熱板

　　作為目前建筑墻體主要保溫材料的EPS、無機GF氈等[17]，普遍存在使用壽命短、嚴重的安全隱患等問題。作為新型絕熱材料的氣凝膠隔熱板(AIP)，則具有更好的安全性和更低的熱導率。目前常見的AIP有纖維氈/氣凝膠復合板[18]、三元遮光劑/纖維/氣凝膠復合板[19]和氣凝膠真空絕熱板[20]。

　　楊建明等[21]通過溶膠-凝膠法制備氣溶膠，再和GF氈結合得到復合凝膠，經過老化和表面改性后，運用常壓干燥技術制備出氣凝膠絕熱板。測試后得出，制備的AIP的導熱系數僅為0.0208W/(m·K)，較GF和EPS體現出更優異的性能。自行設計的盒內實驗測得，在升溫條件下，AIP能延長升至最高溫的時間。AIP比傳統絕緣材料能夠更有效地降低溫度波動。

　　2.3氣凝膠泡沫混凝土

　　在現代建筑中，熱量損失占了相當大一部分建筑能耗，所以建筑隔熱能力和保溫能力的提高十分重要。氣凝膠泡沫混凝土由于良好的保溫性能和隔熱能力，且較其他泡沫混凝土更為輕質，在現代建筑中有著重要的應用[22-24]。在過去的10年中，SiO2氣凝膠被公認為是建材中最卓越的超絕緣材料之一。

　　Gao等[25]通過在混凝土中加入60%體積分數的氣凝膠，制備了密度為1000kg/m3、導熱系數為0.26W/(m·K)的氣凝膠混凝土。Ng等[26]分析了氣凝膠混凝土導熱系數與混凝土中氣凝膠含量的關系，基于此研究制備出導熱系數0.55W/(m·K)、氣凝膠體積分數為50%的氣凝膠混凝土。

　　然而上述氣凝膠混凝土仍然表現出較高的密度和導熱系數。在混凝土中加入超絕緣氣凝膠雖然可以降低混凝土的密度和導熱系數，但效果比單獨加入泡沫更差。此外，氣凝膠的添加量非常高，增加了氣凝膠混凝土的高成本阻礙了其工程應用。Li等[27]通過同時在混凝土中加入氣凝膠和泡沫，制備出一種新型三元氣凝膠泡沫混凝土。由于氣凝膠非常輕且部分氣凝膠顆粒可以起到支撐作用，氣凝膠泡沫混凝土可以在保持與其他泡沫混凝土密度相同的同時，擁有更好的強度及成型性，并且導熱性得到有效降低。

　　氣凝膠泡沫混凝土的導熱系數較低。與前幾位科研工作者所做的工作相比，在相同孔隙率下，氣凝膠泡沫混凝土的導熱系數和密度明顯較低，并且在相同密度下，氣凝膠泡沫混凝土的抗壓強度高于文獻[28-29]和中國標準JG-T-266-2011[30]中的數值。

　　2.4氣凝膠玻璃

　　玻璃外窗是現代建筑結構中必不可少的組成部分，其具有通風、采光、增加美感等重要功能，可以很好地提高室內人員的舒適度。據統計，整體建筑總熱量損失的40%～50%是由傳統建筑中的門窗所流失的[31]。傳統硅酸鹽玻璃雖具有較好的透光性和隔熱性，但遮陽系數及傳熱系數都比較大，無法顯著降低建筑能耗。而新型的氣凝膠材料玻璃則在這兩大性能上同時做出了一定的改進。

　　氣凝膠因其特有的熱學性能，可以減少室內熱量向外部擴散，同樣可以阻止外部熱量向室內傳遞，達到良好的保溫隔熱效果。同時其透光性良好，不會對室內的采光造成影響。陳友明等[32]通過實驗將氣凝膠填充至兩層普通玻璃板間，與中空玻璃板和氣凝膠玻璃進行對比。

　　通過設計相關實驗，利用太陽總輻射儀、照度儀以及散射輻射儀等相關儀器來測定玻璃板兩側的太陽總輻射、光照強度和散射輻射。實驗結果表明，氣凝膠玻璃不會改變太陽輻射的變化趨勢，采光效率不會改變，但相比于中空玻璃，氣凝膠玻璃能有效減少通過的總輻射，同時增加散射輻射。

　　實驗還測量了室內可見光照度，通過對比氣凝膠玻璃側以及中空玻璃側，參考《建筑采光設計標準》[33]，測得的氣凝膠玻璃采光系數大于20%，高于標準的5%，說明氣凝膠玻璃不會影響采光效果。與此同時，氣凝膠玻璃側的室內幾乎沒有太陽直射輻射，所以室內的光線相比于中空玻璃側更加柔和，可以達到護眼的效果。

　　3結語與展望

　　傳統建筑材料因密度大、熱導率高、安全性能不足、使用壽命短等問題，不符合當前綠色可持續發展、節能降耗的要求，嚴重影響建筑行業未來的發展。需要開發性能更優和使用體驗更好的新型建筑材料。氣凝膠作為一種新型材料，密度低、耐高溫、孔隙率高、透光性好、隔音減震等優異性能為其在建筑行業的應用帶來了更多的可能性。

　　目前，氣凝膠主要存在成本高、制備周期長的問題，阻礙了其開發和生產推廣。在建筑領域，需要低成本、高性能的材料，氣凝膠材料需要開發更加廉價的原料和制備工藝，使其能夠工業化生產。氣凝膠優異的保溫隔熱性能和更多潛在性能使其在建筑領域具有廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　[1]武涌，梁境.中國能源發展戰略與建筑節能[J].重慶建筑，2006，5(3):6-19.

　　[2]凌宏杰，熊厚仁，余安妮，等.建筑外墻外保溫系統飾面層劣化現狀調查研究[J].新型建筑材料，2018，45(12):114-118.