張德忠

(神華科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京102211)

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二氧化硅氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域中的應(yīng)用

張德忠*

(神華科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京102211)

摘要:二氧化硅( SiO2)氣凝膠是通過(guò)使用氣體來(lái)置換濕溶膠中的液體，從而得到一種結(jié)構(gòu)可控的新型輕質(zhì)納米多孔固態(tài)材料．SiO2氣凝膠材料與其他保溫隔熱材料相比，具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(≈0．013 W/( m·K) )和較高的透明性，在保溫隔熱領(lǐng)域中開(kāi)發(fā)潛力巨大，有望替代傳統(tǒng)的保溫隔熱材料．盡管氣凝膠目前的成本高于傳統(tǒng)的隔熱材料，但是我們相信通過(guò)科學(xué)家和工程學(xué)家的不斷努力，氣凝膠的生產(chǎn)成本會(huì)被不斷的降低，最終遍及世界各地．本文作者綜述了SiO2氣凝膠材料在隔熱領(lǐng)域的多種應(yīng)用形式，介紹了目前國(guó)內(nèi)外氣凝膠公司研發(fā)產(chǎn)品情況以及實(shí)際應(yīng)用案例．

關(guān)鍵詞:氣凝膠;二氧化硅;溶膠-凝膠

保溫節(jié)能材料對(duì)于促進(jìn)能源資源節(jié)約和合理利用，緩解我國(guó)能源資源供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾，加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著舉足輕重的作用，是保障國(guó)家能源安全、保護(hù)環(huán)境、提高人民生活質(zhì)量、貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的一項(xiàng)重要舉措．保溫節(jié)能材料的研究與應(yīng)用將推動(dòng)我國(guó)節(jié)能、低碳技術(shù)以及綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展．SiO2氣凝膠材料是世界上最好的隔熱(導(dǎo)熱系數(shù)最低)固體材料之一，在常溫和常壓下導(dǎo)熱系數(shù)可低至0．013 W/( m ·K)［1］．SiO2氣凝膠不僅能夠減少熱能損失，而且環(huán)境友好，代表著未來(lái)保溫隔熱材料的發(fā)展方向．氣凝膠材料屬于國(guó)家工信部頒布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》第六大項(xiàng)前沿新材料、新技術(shù)中的納米材料領(lǐng)域，并且在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”重點(diǎn)產(chǎn)品目錄》中，SiO2氣凝膠材料(編號(hào)330)被列為“十二五”期間重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)品．

1　SiO2氣凝膠的制備

1．1 SiO2氣凝膠制備

SiO2氣凝膠的制備主要包含3個(gè)步驟．第一步是濕凝膠的制備．目前制備SiO2濕凝膠的主要方法是溶膠-凝膠法，其工藝根據(jù)原材料的不同分為兩大類: 1)以正硅酸乙酯或正硅酸甲酯類為前驅(qū)體，通過(guò)水解和縮合反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的SiO2濕凝膠; 2)將硅酸鈉通過(guò)離子交換樹(shù)脂除去Na+，然后硅酸水解并聚合形成SiO2的濕凝膠;第二步是濕凝膠的老化．當(dāng)SiO2溶膠達(dá)到凝膠點(diǎn)之后，SiO2凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的硅骨架上仍然連接著大量的沒(méi)有反應(yīng)的烷氧基，需要繼續(xù)發(fā)生水解和縮合反應(yīng)，以增加SiO2凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度．通常在老化的過(guò)程中，會(huì)添加適量的反應(yīng)單體，來(lái)增加SiO2凝膠的交聯(lián)度．當(dāng)老化完成后，需要用乙醇來(lái)沖洗凝膠，除去交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)孔洞結(jié)構(gòu)中殘留的水份和未反應(yīng)完全的單體材料;第三步是SiO2濕凝膠的干燥．濕凝膠的網(wǎng)絡(luò)孔隙中充滿的是反應(yīng)后殘余的液體試劑，要想獲得孔隙中充滿空氣的氣凝膠，還必須通過(guò)干燥將試劑蒸發(fā)出來(lái)，同時(shí)固體骨架應(yīng)仍保持原有的網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)，這樣便得到了低密度高孔隙率的氣凝膠．避免濕凝膠在干燥過(guò)程中由于毛細(xì)管力產(chǎn)生的收縮塌陷的干燥方法主要有CO2超臨界干燥、常壓表面改性干燥和真空冷凍干燥．超臨界干燥是最早被用來(lái)干燥濕凝膠制備氣凝膠的干燥方法，也是目前商業(yè)化最常用的干燥方式．在超臨界干燥過(guò)程中，液態(tài)CO2先置換掉凝膠網(wǎng)絡(luò)孔洞中的有機(jī)溶劑，之后液態(tài)CO2逐漸從凝膠中排出［2］．雖然超臨界方法是目前最通用的干燥氣凝膠方法，但仍有一些局限性限制了它的推廣應(yīng)用，例如大型超臨界設(shè)備的昂貴成本，過(guò)程控制以及高壓反應(yīng)下的安全問(wèn)題．在20世紀(jì)90年代，BRINKER團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種逐漸商業(yè)化的常壓表面改性干燥方法．他們通過(guò)一系列的溶劑交換以及用疏水基團(tuán)替代羥基中的氫元素的表面改性方法來(lái)降低毛細(xì)管力，從而在常壓下干燥獲得SiO2氣凝膠．常壓法干燥通過(guò)溶劑交換以及表面改性減小了氣凝膠孔洞的毛細(xì)管力，并且減弱凝膠骨架表面的相互反應(yīng)活性，但是其并不能完全避免氣/液界面的產(chǎn)生，所以在干燥過(guò)程中不能完全避免氣凝膠的破裂，僅僅能夠得到粉末或者碎塊狀的SiO2氣凝膠．采用冷凍干燥制備氣凝膠，凝膠孔洞中的液體被冷凍成固體，然后使其在真空的條件下升華．為了避免在冷凍過(guò)程中孔洞中溶劑由于結(jié)晶固化，破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)的骨架結(jié)構(gòu)，真空冷凍干燥之前必須加長(zhǎng)老化時(shí)間以增強(qiáng)骨架強(qiáng)度，并且要使用低膨脹系數(shù)和具有高升華壓力的溶劑來(lái)置換出孔洞中的乙醇(或甲醇)溶劑．冷凍干燥過(guò)程中需要使用冷凍干燥室、制冷系統(tǒng)和真空裝置，成本較高，并且干燥操作周期長(zhǎng)，只能得到粉末狀的凝膠粉末，不適宜規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)，目前很少有報(bào)到通過(guò)此方法得到性能良好的氣凝膠．

1．2 SiO2氣凝膠產(chǎn)品以及具體應(yīng)用形式

SiO2氣凝膠目前在保溫隔熱領(lǐng)域的主要應(yīng)用產(chǎn)品形式有4種［3－6］: 1)氣凝膠粉體或顆粒; 2)氣凝膠氈; 3)氣凝膠板; 4)氣凝膠玻璃．本節(jié)分別對(duì)這4種形式的產(chǎn)品逐一進(jìn)行介紹．

1．2．1氣凝膠粉體或顆粒

SiO2氣凝膠粉體的制備方法非常成熟，也是最早工業(yè)化、商業(yè)化的氣凝膠產(chǎn)品之一．氣凝膠粉體制備方法主要有兩種: 1)通過(guò)超臨界方法制備大塊狀的氣凝膠，然后通過(guò)不同的破碎方法，制備不同粒徑的氣凝膠粉體材料; 2)通過(guò)常壓干燥成型的方法制備氣凝膠粉體材料．SiO2氣凝膠粉體幾乎各大氣凝膠生產(chǎn)商都有出售．例如，國(guó)內(nèi)納諾高科目前就有氣凝膠粉體和顆粒在售，粒徑為0．5～5 mm，比表面積600～1 000 m2/g，使用溫度在－50～650℃．

由于氣凝膠粉體材料不易成型，SiO2氣凝膠粉末一般不單獨(dú)作為保溫隔熱材料使用．但是它可以作為功能結(jié)構(gòu)材料的夾層，填充層使用;或者與其他材料復(fù)合和粘結(jié)作為保溫隔熱材料來(lái)使用．SiO2粉末可以添加到某些涂料中，復(fù)合成為具有保溫效果的保溫隔熱涂料［7，8］．河南工業(yè)大學(xué)何方等［9］將SiO2氣凝膠微球加入到純丙乳液中，混合其他助劑制成SiO2氣凝膠隔熱涂料，并將它涂覆于普通馬口鐵基材上，制得隔熱涂層．所得的涂層表面光滑平整，附著力強(qiáng)，硬度好，耐水耐熱性能較好，隔熱性能突出，可以很好的滿足隔熱涂料的基本需要．2 011年，法國(guó)的ACHARD等［10］發(fā)表一項(xiàng)專利，用于建筑外墻保溫的灰泥砂漿．灰泥砂漿由水、無(wú)機(jī)礦物材料、有機(jī)水凝粘合劑、氣凝膠顆粒絕熱填充層和其他添加劑組成，其中氣凝膠顆粒取代了傳統(tǒng)灰泥砂漿中的部分沙子．測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該涂層的導(dǎo)熱系數(shù)為0．027 W/( m·K)，密度為200 kg/m3，比熱為1 100 J/( kg·K)．該產(chǎn)品使用便利，即它可以預(yù)制成型(圖1C)，制備成預(yù)期厚度和形狀的型材，可在建筑外墻中直接使用，也可以在施工現(xiàn)場(chǎng)直接加水混合成具有一定粘度的砂漿，通過(guò)機(jī)器噴涂或人工直接砌在建筑物的外表面(圖1)．

1．2．2氣凝膠氈

圖1　A) SiO2氣凝膠顆粒; B)氣凝膠砂漿型材; C)氣凝膠砂漿噴涂施工圖片F(xiàn)ig．1 A) SiO2aerogel granules; B) Insulating coating of SiO2aerogel; C) Projection on the facade

氣凝膠氈是將SiO2氣凝膠在濕溶膠階段與纖維增強(qiáng)材料復(fù)合，然后經(jīng)過(guò)凝膠和干燥制備得到氣凝膠氈．它即保留了氣凝膠良好的保溫絕熱的特點(diǎn)，又通過(guò)與纖維材料的復(fù)合有效的解決了氣凝膠機(jī)械強(qiáng)度低、易碎、易裂等問(wèn)題．氣凝膠氈纖維增強(qiáng)材料一般分為兩大類:一類是韌性，強(qiáng)度較好的有機(jī)纖維，例如芳綸纖維、聚氨酯纖維等;另一類是耐高溫的無(wú)機(jī)纖維，例如玻璃纖維、玄武巖纖維、高硅氧纖維、莫來(lái)石纖維、石英纖維、硅酸鋁纖維等．氣凝膠氈類工業(yè)化產(chǎn)品的生產(chǎn)方法最早是在1999年由美國(guó)Aspen公司提出［11］，具體生產(chǎn)步驟如圖2所示．將SiO2溶膠、催化劑以及摻雜劑按照一定比例混合，通過(guò)滾鍍鍍膜的方法使溶膠充分浸潤(rùn)纖維材料，之后通過(guò)超臨界萃取，干燥，打包成型，制備得到氣凝膠氈．氣凝膠氈類的制備過(guò)程比較成熟，難點(diǎn)主要是前期復(fù)合階段凝膠點(diǎn)的溶膠含量的控制以及后期干燥方法的選擇(常壓干燥和超臨界干燥)．目前關(guān)于氣凝膠氈類產(chǎn)品的研究多集中在如何降低成本，提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品性能．例如，KIM等［12］以廉價(jià)的硅酸鈉為主要原料，通過(guò)離子交換膜得到SiO2水溶膠，然后浸潤(rùn)玻璃纖維，通過(guò)溶劑交換，三甲基氯硅烷表面改性等方法，并經(jīng)過(guò)常壓干燥制備了疏水型的氣凝膠氈．氣凝膠氈類產(chǎn)品具有良好的保溫隔熱效果、疏水性能和極好的柔韌性等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的保溫隔熱材料，被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)的保溫隔熱領(lǐng)域［13－15］．例如，航空航天領(lǐng)域的保溫材料，耐高溫的各類工業(yè)管道、罐體及其他弧面設(shè)備的保溫隔熱．1．2．3氣凝膠板

圖2　SiO2氣凝膠氈生產(chǎn)示意圖Fig．2 Production procedure of SiO2aerogel blanket

氣凝膠板與氣凝膠氈類產(chǎn)品類似，主要是通過(guò)氣凝膠和其他材料復(fù)合制成板材．與氣凝膠氈類產(chǎn)品不同的是，氣凝膠板類產(chǎn)品不是在溶膠階段和纖維材料復(fù)合，而是將純氣凝膠和纖維、顆粒、砂漿、金屬、有機(jī)高分子等復(fù)合制成剛性的板材．由于氣凝膠板是通過(guò)氣凝膠材料與其他材料復(fù)合后經(jīng)二次澆筑成型，所以可以制備氣凝膠異型元器件，滿足不同工作場(chǎng)合的需要．目前，已有生產(chǎn)廠家結(jié)合真空絕熱板的生產(chǎn)技術(shù)制備出導(dǎo)熱系數(shù)小于0．004 W/( m ·K)的氣凝膠真空絕熱板．

氣凝膠板除了應(yīng)用在建筑物和冰箱﹑冷藏﹑冷凍容器等的工業(yè)用保溫材料外，還可以應(yīng)用到軍工以及航空和航天領(lǐng)域．2003年5月和6月，美國(guó)太空總署發(fā)射“火星探測(cè)漫步者”(勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào))，并與2004年1月成功登陸火星，開(kāi)始探測(cè)活動(dòng)．火星探測(cè)器機(jī)器人重要的器件工作溫度絕對(duì)不能超過(guò)－40～40℃．為了抵御火星地表晝夜100℃的溫差，維持器件工作溫度的恒定，在探測(cè)器機(jī)體內(nèi)壁附著了一層氣凝膠片裝的復(fù)合材料用于隔熱保溫，維持元、器件工作溫度的恒定(圖3A)．2011年，美國(guó)又成功發(fā)射“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”( Mars Science Laboratory，MSL)，又名“好奇號(hào)”火星車．氣凝膠被用來(lái)作為“好奇號(hào)”放射性同位素?zé)犭娹D(zhuǎn)換器( Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator)裝置上熱交換器的隔熱材料(圖3B)．其熱交換器面板為樹(shù)脂基材六角蜂窩孔洞結(jié)構(gòu)，采用氣凝膠和石墨復(fù)合材料對(duì)孔洞進(jìn)行填充，交換器面板樹(shù)脂基材起到結(jié)構(gòu)支撐作用，而氣凝膠起到隔熱作用［16］．

1．2．4氣凝膠玻璃

圖3　A)“勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)”探測(cè)器內(nèi)壁圖片，其中金色為Kapton材料，下方藍(lán)灰色為氣凝膠材料; B)“好奇號(hào)”放射性同位素?zé)犭娹D(zhuǎn)換器隔熱材料Fig．3　A) Silica aerogel opacified with graphite was cut and attached to the walls of the Mars Exploration Rovers．The aerogel is seen as the bluish-gray materials under the gold Kapton; B) Heat exchanger panel for thermal stability of MSL MMRTG

保溫材料除了在工業(yè)領(lǐng)域的重要作用外，在建筑行業(yè)也起到舉足輕重的作用．據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)和歐洲建筑行業(yè)的能量消耗占社會(huì)總能量需求的20%～40%，甚至超過(guò)工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的總和［17－18］．窗戶是建筑物結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分，光線以及新鮮的空氣可以通過(guò)窗戶進(jìn)入到室內(nèi)，能夠給我們創(chuàng)造一個(gè)良好和舒適的內(nèi)部生活環(huán)境．但是，窗戶對(duì)于建筑物保溫存在著不利影響，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的能量耗散中大約有50%的熱量是通過(guò)窗戶所消耗的．因此，透明隔熱的保溫材料在民用住宅以及商業(yè)建筑的節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用［19－21］．

氣凝膠與其他保溫隔熱材料相比，除了具備低的導(dǎo)熱系數(shù)，低密度，阻燃等特性外，它還具有透明性．純的SiO2氣凝膠具有類似玻璃的高透過(guò)率，可見(jiàn)光波段內(nèi)透光率能夠達(dá)到90%以上［22－23］．但是，氣凝膠極限拉伸強(qiáng)度很小，質(zhì)脆，易碎，要避免直接的機(jī)械撞擊．由于結(jié)構(gòu)本身的缺陷，目前氣凝膠產(chǎn)品很難作為玻璃直接應(yīng)用，需和普通玻璃結(jié)合使用．主要有氣凝膠鍍膜玻璃和真空夾層氣凝膠玻璃兩大類．

氣凝膠鍍膜玻璃就是在普通玻璃表面增加一層氣凝膠薄膜來(lái)提高隔熱性能［24－25］．南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳洪齡等［26］通過(guò)聚甲基氫硅氧烷和正硅酸乙酯制備了超疏水的氣凝膠涂層，該涂層在可見(jiàn)光范圍內(nèi)透過(guò)率達(dá)到90%，并且該涂層可以通過(guò)十六烷基三甲氧基硅烷改性處理變?yōu)槌H水涂層．雖然氣凝膠涂層玻璃兼顧了氣凝膠材料的絕熱性和透明性，但是涂層對(duì)節(jié)能性能提高有限，并且涂層與玻璃的附著性也是一大問(wèn)題．

自1980年以來(lái)，氣凝膠作為透明的絕熱材料逐漸被應(yīng)用到窗戶體系中．產(chǎn)品主要是在中空玻璃的夾層填充氣凝膠材料，用于制備具有低導(dǎo)熱系數(shù)和高透明度的氣凝膠玻璃．真空夾層氣凝膠玻璃按照夾層內(nèi)氣凝膠的形狀又分為兩大類: 1)夾層填充物為SiO2氣凝膠顆粒; 2)夾層填充物為整塊氣凝膠．整塊填充的氣凝膠玻璃透明度要優(yōu)于顆粒填充的氣凝膠玻璃，10 mm厚的整塊填充的氣凝膠玻璃窗戶的透過(guò)率能夠達(dá)到90%，然而顆粒填充的氣凝膠玻璃窗戶透過(guò)率最大也只能夠達(dá)到50%［27－30］．圖4為這兩種氣凝膠玻璃的形貌圖．

對(duì)于氣凝膠玻璃窗戶的保溫隔熱以及透光率性能的研究早期多集中在歐洲，這主要是由于歐洲的地理位置以及氣候所決定．歐洲緯度較高，冬天寒冷漫長(zhǎng)，房間需要供暖周期較長(zhǎng)．從二十世紀(jì)80年代后，由于制備氣凝膠材料工藝的發(fā)展，氣凝膠成本下降，再加上人們對(duì)節(jié)能環(huán)保和高效利用能源的重視，使得氣凝膠玻璃門(mén)窗系統(tǒng)的研究才逐漸開(kāi)展起來(lái)．1986年，CAPS和FRICKE［31］測(cè)試了透明氣凝膠材料的紅外輻射傳熱性能，得到氣凝膠材料的輻射熱導(dǎo)率大約是0．002 W/( m·K)．在1998－2005年，歐盟審議并且通過(guò)了兩個(gè)關(guān)于氣凝膠玻璃窗戶項(xiàng)目( HILIT和HILIT+)的研究，大大加快了氣凝膠玻璃窗戶體系的研究與工業(yè)化進(jìn)程．在該項(xiàng)目研究中，瑞典的Airglass AB公司成功的將氣凝膠玻璃由實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段轉(zhuǎn)換到工業(yè)試制階段．圖5展示了該公司生產(chǎn)的氣凝膠玻璃窗戶，該窗戶厚度大約15 mm，每塊氣凝膠玻璃的尺寸大約58 cm×58 cm，熱導(dǎo)率為0．002 W/( m·K)，可見(jiàn)光透過(guò)率達(dá)到75%．由于氣凝膠內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)，以及SiO2骨架的剛性結(jié)構(gòu)，決定氣凝膠材料質(zhì)地脆弱易碎，工業(yè)化生產(chǎn)整塊大面積的氣凝膠仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，目前氣凝膠玻璃最大尺寸60 cm×60 cm，并且產(chǎn)品的良率不是很高，整塊大面積的氣凝膠玻璃現(xiàn)階段只是應(yīng)用在科學(xué)研究領(lǐng)域，工業(yè)化進(jìn)程道路依然非常漫長(zhǎng)．氣凝膠顆粒填充的氣凝膠玻璃雖然只有20%～50%的透過(guò)率，但是它能夠避免氣凝膠易碎的問(wèn)題，可以應(yīng)用在大型劇院、商場(chǎng)、游泳館等無(wú)需良好視覺(jué)效果的位置［32］．圖6展示了美國(guó)底特律藝術(shù)學(xué)院和紐約州立大學(xué)石溪分校諾貝爾大廳使用的美國(guó)Kalwall公司氣凝膠玻璃［33］．

圖4　A)顆粒狀氣凝膠制備的氣凝膠玻璃; B)整塊氣凝膠制備的氣凝膠玻璃Fig．4 A) Granular aerogel; B) monolithic aerogel glazings

圖5　瑞典Airglass AB公司制備的大尺寸氣凝膠玻璃窗戶Fig．5 A Monolithic aerogel window made by the company Airglass AB

圖6　兩個(gè)氣凝膠玻璃窗戶的工程案列Fig．6 Two examples of built projects in which granular filled aerogel windows have been alternated to traditional transparent windows

2　SiO2　氣凝膠的特性

氣凝膠通常是指以具有納米量級(jí)微細(xì)顆粒相互聚集構(gòu)成的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在納米量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)骨架中充滿大量氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)納米固態(tài)材料，其中SiO2氣凝膠最受關(guān)注，也是近年來(lái)研究最多的氣凝膠．與碳?xì)饽z、Al2O3和TiO2等其他氣凝膠相比，SiO2氣凝膠原材料來(lái)源豐富，制備工藝簡(jiǎn)單，可控性好．在性能方面，SiO2氣凝膠同時(shí)兼有玻璃的高透明性，聚苯乙烯、聚氨酯類有機(jī)高分子材料的低熱導(dǎo)率特性，以及炭黑材料的高比表面積等特性［34－38］．圖7顯示了SiO2氣凝膠具有優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度、顯著的絕熱特性和低密度特性．

圖7　A) SiO2氣凝膠抗壓特性;圖B) SiO2氣凝膠絕熱特性; C) SiO2氣凝膠低密度特性Fig．7 A) Resistant structure of SiO2aerogel; B) Insulating properties of SiO2aerogel; C) Low density properties of SiO2aerogel

與發(fā)泡聚苯乙烯、巖棉棉等其他隔熱材料相比，氣凝膠同時(shí)兼有玻璃的高透明性，低熱導(dǎo)率特性以及高的燃燒等級(jí)等特性［39－40］．表1為常用保溫隔熱材料的特性對(duì)比．

表1　氣凝膠隔熱材料與市場(chǎng)上常見(jiàn)的隔熱材料性能比較Table 1 Performance comparison of aerogel and several common insulation materials

3　SiO2　氣凝膠的生產(chǎn)企業(yè)

國(guó)外氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)主要集中在歐美地區(qū)(圖8)，其中美國(guó)占據(jù)世界一半以上份額．美國(guó)從事氣凝膠的生產(chǎn)企業(yè)有10家左右，主要有Aspen、Cabot和Thermablok公司，這3家公司在美國(guó)國(guó)內(nèi)占據(jù)65%以上的市場(chǎng)份額．Aspen氣凝膠公司是美國(guó)航空航天管理局下屬的一家公司，創(chuàng)立于2001年，繼承了應(yīng)用于美國(guó)宇航局( NASA)的專業(yè)宇航納米保溫技術(shù)，將超臨界氣凝膠保溫毯生產(chǎn)技術(shù)工業(yè)化，全球年產(chǎn)能達(dá)上億平方英尺．2010年，德國(guó)BASF公司旗下的Venture Capital公司向Aspen投資2 150萬(wàn)美元，Aspen公司的氣凝膠產(chǎn)品應(yīng)用于BASF公司在比利時(shí)Antwerp的工廠．Cabot公司是一家擁有130年歷史，專業(yè)生產(chǎn)特殊化工產(chǎn)品和特種化工材料的全球性跨國(guó)公司，目前該公司在建筑用氣凝膠方面已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，主要有氣凝膠節(jié)能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材和屋面太陽(yáng)能集熱器．Thermablok公司是美國(guó)Acoustiblok公司的子公司，主要生產(chǎn)韌性的氣凝膠絕熱膠條，其產(chǎn)品主要用在住宅建筑的地板、墻壁、天花板邊緣．

圖8　全球主要生產(chǎn)國(guó)氣凝膠占有份額Fig．8　Market share of the aerogel in the world

目前，國(guó)內(nèi)僅有紹興納諾高科有限公司、廣東埃力生高新科技有限公司和航天海鷹(鎮(zhèn)江)特種材料有限公司等少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)氣凝膠產(chǎn)品．納諾高科成立于2004年，是國(guó)內(nèi)首家進(jìn)行SiO2氣凝膠商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的公司．公司以生產(chǎn)氣凝膠SiO2粉末為主，年生產(chǎn)能力為2 000立方米，主要產(chǎn)品是隔熱氈．廣東埃力生亞太電子有限公司是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售氣凝膠復(fù)合隔熱材料和真空絕熱材料為一體的創(chuàng)新型高新技術(shù)企業(yè)．公司主要經(jīng)營(yíng)納米氣凝膠粉末，和納米氣凝膠氈．航天海鷹(鎮(zhèn)江)特種材料有限公司成立于2011年，由航天三院、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所(代號(hào)三○六所)、鎮(zhèn)江新區(qū)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)投資有限公司共同出資組建，公司超臨界生產(chǎn)線年產(chǎn)量將達(dá)到1 500立方米．以航天三院技術(shù)研發(fā)為支撐和航空航天市場(chǎng)為依托，航天海鷹氣凝膠后續(xù)生產(chǎn)發(fā)展能力值得期待，勢(shì)必會(huì)對(duì)納諾、埃力生等老牌氣凝膠生產(chǎn)廠商形成強(qiáng)有力的沖擊．

4　展望

SiO2氣凝膠材料由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，顯示出低密度、透明、隔音、絕熱等特性，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、管道保溫、涂料以及航空航天領(lǐng)域有著極其廣泛地的應(yīng)用．但是若要取代傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)礦物棉以及有機(jī)保溫材料，氣凝膠材料還必須解決好以下兩點(diǎn)問(wèn)題:一是成本問(wèn)題．氣凝膠目前的市場(chǎng)價(jià)格大約是其他保溫材料的10倍，必須改進(jìn)生產(chǎn)工藝，并降低原材料的成本;二是粉塵問(wèn)題．氣凝膠材料在生產(chǎn)和使用階段會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，并且這些粉塵依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)和施工條件難以完全去除．

隨著建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)已經(jīng)成為落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的必備條件，國(guó)家必定在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域有更多的需求與投入，傳統(tǒng)的保溫材料將逐漸被氣凝膠材料所取代，因此氣凝膠材料必將有著更廣闊的發(fā)展空間與市場(chǎng)前景．

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［責(zé)任編輯:毛立群］

Application of SiO2aerogel in the field of thermal insulation

ZHANG Dezhong*

( Shenhua Science＆Technology Development Co．，Ltd．，Beijing 102211，China)

Abstract:Aerogel is a kind of synthetic porous material，in which the liquid component of the gel is replaced with a gas．Aerogel has the translucent structure and remarkably lower thermal conductivity(≈0．013 W/( m·K) ) than the other commercial insulating materials．Therefore，it is considered as one of the most promising thermal insulating materials．Although current cost of aerogel still remains higher compared to the conventional insulation materials，intensive efforts are made to reduce its manufacturing cost and hence enable it to become widespread all over the world．In this study，a comprehensive review on SiO2aerogel and its utilization in the field of thermal insulation are presented．

Keywords:aerogel; SiO2; sol-gel

作者簡(jiǎn)介:張德忠( 1981－)，男，博士，研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)納米材料．*通訊聯(lián)系人，E-mail: zhangdezhongaaaa@ 163．com．

收稿日期:2015－08－19．

中圖分類號(hào):O646

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1008－1011( 2016) 01－0120－08