從保溫隔熱性能看氣凝膠材料的發展前景

  • 12月13日1時18分,北京朝陽一自建房發生火災 5人遇難,9人受傷。
  • 12月1日凌晨4時許,天津市河西區一棟大廈突發火災,共造成10人死亡,5人受傷。
  • 11月18日18時許,北京市大興區西紅門鎮新建二村,聚福緣公寓發生火災,事故共造成19人死亡,8人受傷,遇難者裡有8名兒童。
  • 9月25日00時許,玉環市玉城街道民房發生火災,共造成11人死亡,2人重傷。
  • 2月5日17時26分,浙江省天臺縣赤城街道春曉路足馨堂足浴店發生火災。火災共造成18人死亡,18人受傷。
  • ……

每年因為火災造成的傷亡和財產損失慘重,回顧這些重大火災發生的原因,大都是由於電氣起火引起的外墻PU材質的保溫材料燃燒或是不合格的保溫材料燃燒造成的。預防火災,除瞭要做好消防和安全檢查等工作外,還要從源頭來阻隔火勢的蔓延。因此,開發保溫隔熱性能優異的材料應用於建築建設中刻不容緩。

新型保溫隔熱材料——氣凝膠

目前,國內的隔熱材料市場主要有無機隔熱材料和有機隔熱材料兩種。無機隔熱材料主要為無機纖維棉類和無機發泡類隔熱材料,這些材料密度大、保溫隔熱性能差、鋪設較厚、其防火性能很難達標。而aerogel”,意為“飛行的凝膠”。是通過構建一個傳統的凝膠制成,然後除去通過超臨界幹燥的液體。其極高的孔隙率、導熱系數低等特點讓它具有良好的材料性能:超輕、堅固、絕熱耐溫。

  • 超輕:氣凝膠自身的80%~99.8%以氣態形式存,是人類能夠人工制造出來的最輕的非晶固態材料,密度僅為3mg/cm3。被稱為“凝固的煙”和“物質的第五種形態”。

從保溫隔熱性能看氣凝膠材料的發展前景

  • 堅固:雖然氣凝膠看似弱不禁風,但它卻擁有驚人的性能——堅固耐用,能承受超過自身質量1000倍的壓力。

從保溫隔熱性能看氣凝膠材料的發展前景

  • 絕熱耐溫: 氣凝膠的高孔隙率使其熱量的傳遞很小,導熱性和折射率非常低,能承受住1000℃的火焰噴射,即使你用手摸它的背面或將火柴放在上面也不會有事。

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常壓幹燥制備二氧化矽氣凝膠

從分類上講,氣凝膠有碳氣凝膠硫氣凝膠,金屬氣凝膠氧化物氣凝膠等。但目前從制備成本等綜合因素而言,應用最為廣泛的當屬二氧化矽氣凝膠。

從制備方法上講,氣凝膠的制備主要由溶膠-凝膠過程和後處理過程組成。溶膠-凝膠過程是指化合物在溶液(一般為有機溶液)中水解縮合成膠液,然後除去溶劑形成凝膠。後處理是指在溶膠-凝膠聚合後,經過老化、防開裂、幹燥等一系列步驟得到性能獨特的氣凝膠。

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氣凝膠制備過程

最初制備氣凝膠的後處理是采用超臨界幹燥方法;90年代後期,隨著常壓幹燥的出現,越來越多人用常壓幹燥法制備氣凝膠。以正矽酸乙酯(TEOS)作為制備矽氣凝膠的前驅體采用常壓幹燥法制備氣凝膠工藝如下:

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氣凝膠材料在保溫隔熱領域的應用

因為氣凝膠有著非常好的隔熱性,因此它對於傳統材料的替代場景很多,凡是涉及到溫度隔絕的應用方面,都會希望用到這種材料,在建築保溫、工業保溫管道、汽車保溫、織物保溫、其它保溫等軍用、民用領域的隔熱保溫領域氣凝膠材料都有望大展身手。針對不同的應用領域,氣凝膠產品形式也多種多樣。目前,氣凝膠產品有氣凝膠粉體、氣凝膠氈、氣凝膠佈、氣凝膠塗料和氣凝膠漿料等。

從保溫隔熱性能看氣凝膠材料的發展前景

最初,由於氣凝膠的原料成本高、設備昂貴、超臨界幹燥安全系數低等缺點,限制瞭氣凝膠材料的產業化和大規模應用,導致其隻能在航空航天、軍工等高端領域使用。隨著對常壓幹燥制備工藝研究的不斷深入,生產氣凝膠材料的成本降低,氣凝膠產品年產量增多。

如今氣凝膠材料開始逐步聚焦電子和新能源領域。當前在北京許多雙層電動巴士上,氣凝膠材料已經用於電池倉的隔熱防火方面。在工業管道保溫中,氣凝膠產品也已開始應用。

從保溫隔熱性能看氣凝膠材料的發展前景

氣凝膠氈石油管道中的應用

在建築領域,盡管氣凝膠的高成本限制瞭其大規模使用,但是已經有氣凝膠保溫氈、氣凝膠保溫塗料等氣凝膠保溫產品上市應用。未來氣凝膠在建築上的應用主要集中在節能門窗、建築管道、墻壁和屋頂、塗料四方面。相信隨著技術的進步和成本的進一步降低,未來氣凝膠產業將廣泛應用於建築保溫領域,降低火災的危害,為人身和財產安全提供更多防護。

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