在發(fā)達(dá)國(guó)家和許多國(guó)家,溫室氣體排放是當(dāng)前的一大問題。減少溫室氣體的最具成本效益的行動(dòng)之一是改善住宅和商業(yè)建筑物的隔熱性。顯然,為了在建筑物中有更好的絕緣性,傳統(tǒng)的絕緣性可用于較厚或多層的建筑。

盡管如此,正在研究具有較好熱性能的新材料,如氣凝膠和真空絕緣板,以用于建筑物。只有通過生產(chǎn)新的先進(jìn)材料和使用這些材料,特別是在玻璃表面,才能實(shí)現(xiàn)建筑物可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。在不同的外力作用下,可增加建筑物的耐久性,并可通過高水平的隔熱來提言能源效率。

氣凝膠被認(rèn)為是當(dāng)今建筑應(yīng)用中最有前途的高性能保溫材料之一。與傳統(tǒng)的隔熱材料相比,氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)降至0.013~0.018W/(m·K)。建筑業(yè)也對(duì)太陽能光譜中的高透光率很感興趣。有了適當(dāng)?shù)闹R(shí),建筑師和工程師都有機(jī)會(huì)重新發(fā)明建筑解決方案。在這項(xiàng)工作中,我們回顧了氣凝膠絕緣的一般知識(shí),特別是建筑應(yīng)用的知識(shí)。氣凝膠是一種合成的多孔超光材料,由凝膠中的液體成分被氣體取代。它是一種先進(jìn)的材料,在《吉尼斯世界紀(jì)錄》中包含了15項(xiàng)關(guān)于最低密度固體和最佳絕緣子等特性的記錄。它是一種以硅為基礎(chǔ)的物質(zhì),由一個(gè)松散的硅原子網(wǎng)絡(luò)組成。

氣凝膠是20世紀(jì)30年代發(fā)明的納米顆粒-氣凝膠是在二氧化硅膠合在溶劑中形成的,當(dāng)溶劑去除時(shí),殘留的是"膨脹的沙子",孔隙度高達(dá)99%。

納米礦石將空氣分子封住,陽止熱流和長(zhǎng)分子鏈通過二氧化硅增加固體通道長(zhǎng)度,降低了導(dǎo)熱性。這兩項(xiàng)創(chuàng)新有助于將航空凝膠從實(shí)驗(yàn)室的好奇心轉(zhuǎn)向工業(yè)產(chǎn)品。超臨界二氧化碳2萃取將周期時(shí)間從幾個(gè)月減少到幾個(gè)小時(shí),并將濕凝膠鑄造成纖維的打擊提供了機(jī)械完整性。

1、氣凝膠氈

氣凝膠氈是一種新型材料,具有極低的導(dǎo)熱性,使材料成為良好的絕緣材料。事實(shí)上,現(xiàn)在氣凝膠毯被用來提高現(xiàn)有墻壁的能量性能。使用氣凝膠毯作為墻上的絕緣材料意味著替換現(xiàn)有的絕緣材料。當(dāng)建筑物組件中的材料被更換以提高某一特定性能時(shí),重要的是要驗(yàn)證墻體的其他功能要求如防火性能的影響。

氣凝膠是合成的低密度材料,具有獨(dú)特的物理性能。它們是在特殊干燥條件下從凝膠中除去液體,繞過環(huán)墇蒸發(fā)過程中經(jīng)歷的收縮和裂紋而形成的。這創(chuàng)造了一個(gè)立體的納米孔結(jié)構(gòu),含有80-99%的空氣。由于氣凝膠的孔率很高,因此它的熱傳導(dǎo)率比任何固體都低,同時(shí)對(duì)光和太陽輻射是透明的。氣凝膠常被認(rèn)為是半透明絕緣應(yīng)用的一種有前途的材料。它們幾乎可以由任何材料制成,盡管最常見的形式是可作為顆?；蛟趫A體(單片)瓷磚中生產(chǎn)的硅膠。建筑業(yè)的一般商業(yè)產(chǎn)品包括:氣孔絕緣、含顆粒氣的拋光裝置和覆層系統(tǒng)

超臨界CO2萃取將周期時(shí)間從幾個(gè)月減少到幾個(gè)小時(shí),并將濕凝膠鑄造成纖維,提供了機(jī)械完整性。半透明和不透明的絕緣板,毯子和可拉伸的屋頂膜嵌入了氣凝膠微粒。透明的整體硅膠氣凝膠被認(rèn)為是未來上釉技術(shù)的"圣杯",其U值可能低至0.1W/M2.K。然而,由于生產(chǎn)成本高,加工時(shí)間長(zhǎng),且難以制作出完全透明的大型均勻樣品,對(duì)整塊玻璃的研究和開發(fā)受到限制。

2、氣凝膠的性能

多孔絕緣材料的總導(dǎo)熱性取決于孔內(nèi)的對(duì)流傳熱、固體和孔隙的傳導(dǎo)和輻射。一般來說,傳統(tǒng)絕緣材料中的孔隙都超過1室米寬,使氣本分子能夠自由運(yùn)動(dòng),并通過對(duì)流轉(zhuǎn)移熱能。相比之下,氣凝膠中的孔隙可以小到20-40英里(甚至比60-100英里時(shí)的"平均自由路徑"要小)。因此,孔內(nèi)的單個(gè)空氣分子沒有空間通過對(duì)流轉(zhuǎn)移熱能。

通過固體結(jié)構(gòu)和氣凝膠內(nèi)的空氣分子的傳導(dǎo)也是極小的。由于對(duì)流空間很小,空氣分子不斷與孔隙壁碰撞,抑制氣體傳導(dǎo)。此外,由于氣凝胺只含有0.1.5%的二氧化硅,空氣的導(dǎo)熱性很低,傳熱很小,氣體的導(dǎo)電性隨壓力的降低而減小。氣孔內(nèi)的真空使其具有最好的絕緣性能,其導(dǎo)熱系數(shù)為0.004W/MM.K(比傳統(tǒng)絕緣高10倍)。

氣凝膠的輻射傳熱量取決于熱輻射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)、材料的光學(xué)特性、孔隙的大小和形狀及其整體厚度。在環(huán)境溫度下

由于高吸收和高反射水平,納米孔和顆粒提供了有效的紅外熱輻射衰減研究了二氧化硅氣凝膠的光學(xué)和紅外特性。二氧化硅氣凝膠可被認(rèn)為是有效傳輸太陽能的透明絕緣材料,但能阻止熱紅外輻射。材料呈現(xiàn)出高半透明度,常伴有輕微的藍(lán)色薄霧。這可以歸因于"瑞利散射"，,這種光現(xiàn)象發(fā)生在光散射出比光波長(zhǎng)更小的粒子時(shí),藍(lán)色光譜中較短的波長(zhǎng)最容易散射。

3、環(huán)境影響

制備氣凝膠涉及三個(gè)關(guān)鍵步驟:凝膠制備、老化和干燥。其目的是建立一個(gè)凝膠,加強(qiáng)和純化它,然后去除所有的液體從孔中,而不崩潰的固體結(jié)構(gòu)(通過超臨界或亞臨界干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn))。這些過程通常涉及混合相當(dāng)有毒的化學(xué)品和進(jìn)行復(fù)雜的擴(kuò)散控制過程,消耗大量的溶劑。此外,最后一步往往伴隨著密集的干燥過程,可能消耗大量的能源和二氧化碳。

4、氣凝膠的優(yōu)勢(shì)

氣凝膠的獨(dú)特特性為建筑物提供了許多新的應(yīng)用。由于氣凝膠的隔熱性和光學(xué)透明度非常低,因此可以在窗格和太陽能集熱器的蓋子上應(yīng)用。由于其降低噪音的導(dǎo)熱性和聲學(xué)性能低,空氣凝膠可用于建筑物,以及在室內(nèi)空氣凈化中的吸附和催化作用,在環(huán)境清理中的光催化作用,在廚房的防火板中的不燃燒性(無機(jī)氣體)。氣凝膠材料也可用于建筑物的墻壁、閣樓、地面和電器。氣凝膠的不尋常特性為其在建筑物中的應(yīng)用開辟了新的機(jī)會(huì)。它們的主要好處包括:由于減少了室內(nèi)熱空氣或空調(diào)空氣的損失,良好的絕緣性能提供了能源和節(jié)省了費(fèi)用:由于去除了空氣傳播的污染物,使室內(nèi)環(huán)境更加健康;由于氣凝膠的不燃燒性和聲學(xué)特性,使其具有加熱和隔音性能。最重要的是,它們是方便用戶、可回收和可重復(fù)使用的。

5、氣凝膠在建筑上的應(yīng)用

1、屋頂:氣凝膠絕緣可以隔離屋頂空腔,也可以用來減少屋頂梁的熱橋接。它可以用于高絕緣的家庭,從外部密封,在磚石和瓦之下,它有很高的島嶼價(jià)值。

2、框架: 在一個(gè)典型的建筑中,框架(建筑物包絡(luò)的25%)是不絕緣的,導(dǎo)致熱損失通過螺栓。絕緣阻止這種"熱橋接",并提高熱性能高達(dá)40%的鋼螺栓和15%的木螺栓

3、樓層: 氣凝膠絕緣的熱效率,良好的壓縮強(qiáng)度和薄型材,使它成為地板下絕緣層的吸引力,在那里高度是一個(gè)問題。它在地板下快速安裝不破壞門配件,同時(shí)提供大量節(jié)能。氣凝膠絕緣是一種快速、成本效益高的地下室翻新解決方案,易于安裝,提高了熱舒適性,并且不會(huì)因其如此薄而破壞門配件。它安裝得很快,能改善房屋的熱舒適性。如果與輻射地板使用,它節(jié)省能源,并使快速加熱循環(huán)。

氣凝膠作為一種超級(jí)絕緣體:氣凝膠是一種透明材料,具有高的光學(xué)性能,如高的光和太陽能透光率,但與玻璃等通常使用的透明材料不同,它也具有很好的隔熱性能;它實(shí)際上被用作太陽能收集器和辦公室的透明墻。高能效窗戶:除了硅氣凝膠的低導(dǎo)熱性外,還實(shí)現(xiàn)了高的太陽能和日光透光率。事實(shí)上,通過窗戶使用被動(dòng)太陽能,就有可能減少在賽冷氣候下。