无机盐工业 !" 第 53 卷 第 9 期 2021 年 9 月 INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY Vol．53 No．9 Sept.，2021 Doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0043 综述与专论 开放科学（资源服务）标志识码（OSID ） !" !!!!!!" !!!!!!" 氧化硅气凝胶绝热材料及其建筑减碳应用 张广鹏 1，吴会军 1，2，刘彦辰 1，2，杨丽修 1，2 （1. 广州大学土木工程学院，建筑节能研究院，广东广州 510006 ； 2. 广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室） 摘 要：无机氧化硅气凝胶因具有超低导热系数、A 级不燃、吸湿率低、轻质等特点，在航天航空、工业及建筑领 域的节能减碳方面具有广泛的应用潜力。 然而氧化硅气凝胶力学性能差、制备成本高等缺点限制了其发展应用。 介 绍了氧化硅气凝胶绝热材料制备工艺的研究进展，对氧化硅气凝胶在建筑领域的应用形式（如超轻气凝胶泡沫混凝 土、超高性能气凝胶保温隔热板、超低传热系数气凝胶节能玻璃等）进行了综述，并对氧化硅气凝胶在建筑节能领域 的发展方向进行了展望。 响应碳中和发展目标，随着气凝胶制备技术的发展与成本降低，氧化硅气凝胶绝热材料将 在建筑墙体保温隔热方面广泛应用，同时对其性能提出了更多功能性要求，对氧化硅气凝胶材料还需开展更系统的 基础研究以及工程应用技术研发，推动建筑领域的节能减碳与可持续发展。 关键词：氧化硅气凝胶；绝热材料；建筑减碳；碳中和 中图分类号：TU551.39 文献标识码：A 文章编号：1006-4990 （2021 ）09-0001-05 Silica aerogel insulation materials and their application for building carbon reduction Zhang Guangpeng1，Wu Huijun1，2，Liu Yanchen1，2，Yang Lixiu1，2 （1.College of Civil Engineering ，Institute of Building Energy Efficiency ，Guangzhou University ， Guangzhou 510006 ，China ；2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Building Energy Efficiency and Application Technologies ，Guangzhou University ） Abstract：Inorganic silica aerogels have broad application potential in energy saving and carbon reduction in aerospace ， aviation ，industrial and construction fields due to their ultra-low thermal conductivity ，nonflammability of class A ，low moisture absorption rate and light weight.However ，poor mechanical property and high preparation cost limit the development and application of silica aerogels.The research progress of preparation technology of silica aerogel insulation materials was introduced.The application forms of silica aerogels in building field （such as super light aerogel foam concrete ，super high performance aerogel insulation board ，ultra-low heat transfer coefficient aerogel energy-saving glass ） were reviewed ，and the development trend of silica aerogels in building energy conservation was prospected.In response to the goal of carbon neutral development ，with the development and cost reduction of aerogel preparation technology ，silica aerogel insulation materials would be widely applied in building insulation ，and at the same time ，more functional requirements were put forward for their performance.Therefore ，more systematic basic research and engineering application technology research are needed for silica aerogel materials to promote energy conservation ，carbon reduction and sustainable development in the field of construction. Key words ：silica aerogels ；thermal insulation materials ；building carbon reduction ；carbon neutralization 建筑业作为全球经济活动的重要引擎， 成为能 可持续发展目标， 建筑业需扭转能源和碳排放持续 源消耗总量和 CO2 排放总量最大的行业，占全球能 增长的趋势， 以每年 3% 的速度实现降低建筑物的 源消耗总量的 36%和 CO2 排放总量的 39%。 为实现 碳排放量。在此背景下，新型高性能保温隔热材料及 围护结构的研发与应用，对中国建筑节能、降低建筑 碳排放量有重要支撑作用。 目前建筑中常用的有机 基金项目：国家自然科学基金项目（51678167 ）。 收稿日期：2021-01-19 作者简介：张广鹏（1995 — ），男，博士研究生，主要从事新型建筑隔热材料与性能研究；E-mail ：tumuzgp@163.com。 通讯作者：吴会军（1978 — ），男，博士，研究员，主要从事建筑节能新材料新技术研究；E-mail ：wuhuijun@tsinghua.org.cn 。 ·1· 无机盐工业 www.wjygy.com.cn 第 53 卷第 9 期 绝 热 材 料 如 聚 苯 乙 烯 泡 沫 （EPS）、挤 塑 聚 苯 乙 烯 板 问题并推动其大规模实际生产、应用，也是该领域的 （XPS ）和玻璃棉（GF ）等具有轻质、易成型、隔热性能 研究热点。 好等特点，但是存在消防安全隐患、疏水性差、耐久 近年来，低成本、快速的常压制备技术 ［21］得以研 性差等问题 ［1-4］。 常用的无机绝热材料如玻璃纤维、 发， 不仅替代了高成本、 高危险性的超临界干燥工 矿物棉、膨胀珍珠岩等，虽然耐火性较好、安全性高， 艺， 而且具有表面预改性的同时可以和纤维整体复 但是其吸湿性强、蒸汽渗透率高 ［5-8］ ，影响工程应用。 合成型，极大地改进了氧化硅气凝胶材料的性能，促 氧化硅气凝胶作为一种纳米孔多功能无机固体 进了其在建筑节能领域的应用， 推动了其产业化生 材 料 ，具 有 超 低 导 热 系 数 、耐 火 不 燃 、疏 水 、轻 质 等 产。 氧化硅气凝胶低成本常压干燥制备技术流程见 特点 用 ［9 -11］ ，在航 天航空 、工业、交通 等领域 得到 应 图 1。 ［12-15］ 。 但是，氧化硅气凝胶本身力学性能差，而且 相对于普通保温隔热材料其价格较高， 限制了其进 一步发展，尤其是在建筑领域的应用 ［16-19］。 因此，降 低气凝胶的制备成本、改善气凝胶的力学性能，以推 动其在建筑节能领域的应用， 成为国内外研究的热 点。 近年来，随着氧化硅气凝胶制备技术的发展及 成本的降低，其开始在建筑节能减碳领 域 进 行 示 范应用 ［20-22］。 笔者综述了氧化硅气凝胶绝热材料的 制备技术研究进展， 介绍了氧化硅气凝胶在泡沫混 凝土、 胶毡和板材以及建筑玻璃等领域的应用研究 图 1 氧化硅气凝胶低成本常压干燥制备技术流程图 Fig.1 Process flow diagram of low cost atmospheric drying preparation technology for silica aerogels 1.2 进展。 气凝胶材料的性能 氧化硅气凝胶本身具有较大的孔隙率和红外透 氧化硅气凝胶绝热材料的制备与性能 过率，脆性大、强度低。 为促进其在建筑节能领域的 气凝胶是一种由胶体粒子或高聚分子相互交联 应用，常在制备过程中加入一定的组分如纤维、遮光 构成的具有三维纳米网络结构的多孔材料，按其 剂等，改善其在力学、光学、高温隔热等方面的性能。 组分的不同常见的类型分为氧化硅气凝胶、 碳气凝 气凝胶基体制备过程中加入一定量的增强纤维 胶、黏土气凝胶。 氧化硅气凝胶是较为常见、应用较 以制备纤维/ 氧化硅气凝胶复合材 料 是 目 前 改 进 其 广的一种类型，其孔洞率达到 80.0%~99.8% ，密度低 综合性能较为行之有效的方法， 常用的增强纤维类 1 至0.003 g/cm ，室温下导热系数为 0.015 W/ （m·K ）左 型有束状纤维、预制件纤维、纳米纤维等 ［22］。 通过该 右，小于无对流空气，为普通绝热材料的 1/3~1/2 ，是 方法制备的气凝胶绝热材料， 其导热系数可低于 目前导热系数最小的固体超级绝热材料。 3 早在 1931 年美国斯坦福大学的 Kistler 即以水 0.015 W/ （m·K）、密度低于 215 kg/m3、体积吸水率低 于 1% 、压 缩 强 度 大 于 120 k