納米二氧化硅絕熱材料研究進(jìn)展

吳春蕾，楊本意，劉 莉，康 旭

（廣州吉必盛科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510663）

納米二氧化硅絕熱材料研究進(jìn)展

吳春蕾，楊本意，劉 莉，康 旭

（廣州吉必盛科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 廣州 510663）

介紹了納米二氧化硅的種類(lèi)及基本特點(diǎn)，綜述了納米二氧化硅絕熱材料的應(yīng)用研究進(jìn)展，討論了影響納米二氧化硅絕熱材料絕熱性能的因素，對(duì)納米二氧化硅絕熱材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.

絕熱材料；納米二氧化硅；研究進(jìn)展

絕熱材料是保溫、保冷、隔熱材料的總稱(chēng)，是指對(duì)熱流具有顯著阻抗性的材料或材料復(fù)合體.一般導(dǎo)熱系數(shù)小于0.17 W／（m·K）的材料被稱(chēng)為絕熱材料，建筑上還要求表觀密度應(yīng)小于1000 kg／m3，抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于0.3 MPa［1］.絕熱材料兼具保溫、保冷和隔熱的功能，是能源開(kāi)發(fā)、低碳工程的重要組成，是與生態(tài)、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的行業(yè).絕熱材料的品種很多，按材質(zhì)分類(lèi)，可分為無(wú)機(jī)絕熱材料、有機(jī)絕熱材料和金屬絕熱材料三大類(lèi).無(wú)機(jī)絕熱材料主要包括巖礦棉、膨脹蛭石、氧化硅基等產(chǎn)品；有機(jī)類(lèi)絕熱材料主要包含樹(shù)脂泡沫塑料和海綿橡塑保溫材料等產(chǎn)品.相對(duì)有機(jī)類(lèi)絕熱材料，無(wú)機(jī)絕熱材料具有環(huán)保、可持續(xù)優(yōu)勢(shì)，特別是隨著石油價(jià)格高漲，以及人們對(duì)綠色節(jié)能、低碳環(huán)保的日益重視，無(wú)機(jī)絕熱材料的發(fā)展也駛?cè)肟燔?chē)道.

納米二氧化硅絕熱材料是無(wú)機(jī)絕熱材料的重要品種，主要由納米二氧化硅、石英玻璃纖維和納米氧化鈦組成［2］.納米二氧化硅絕熱材料中孔隙尺寸小于或接近空氣中分子的平均自由程，具有無(wú)對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo)都非常小的特點(diǎn)，材料中添加的納米氧化鈦對(duì)熱輻射有明顯的散射作用，從而使納米氧化硅絕熱材料具有極低的導(dǎo)熱率和優(yōu)良隔熱保溫效果.

1 納米二氧化硅的特點(diǎn)

納米二氧化硅按照制備方法主要分為氣相二氧化硅、沉淀二氧化硅、二氧化硅氣凝膠三類(lèi).

1.1 氣相二氧化硅

氣相二氧化硅是出現(xiàn)最早，也是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的納米顆粒之一.它是一種白色、松散、無(wú)定形、無(wú)毒、無(wú)污染的無(wú)機(jī)非金屬材料，其粒徑介于7～40 nm之間，具有高的比表面積（50～400 m2／g）［3］.其一般由氯硅烷在氫氧火焰中進(jìn)行高溫水解（＞1000℃）制得，原生顆粒冷卻后聚集，形成支化的三維蓬松結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品（圖1）.正是由于這種特殊的制備工藝和特殊結(jié)構(gòu)，使得氣相二氧化硅具有很低的固體傳導(dǎo)率和空隙體積，該空隙體積與氧分子和氮分子的平均自由路程有相同的數(shù)量級(jí)，其熱導(dǎo)率也隨原生粒子平均粒徑的減小而降低，使氣相法二氧化硅呈現(xiàn)良好的熱絕緣性.氣相二氧化硅的另一個(gè)特點(diǎn)是純度高（＞99.8%），不含堿土金屬等礦化物質(zhì)，是一種耐高溫、具有很好熱穩(wěn)定性的納米材料，在800℃下可以長(zhǎng)時(shí)間保持其外觀和微觀形貌，即便1200℃也可以短時(shí)間保持穩(wěn)定.含有氣相法二氧化硅的混合粉末或模壓件在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，例如夜間儲(chǔ)存熱源，高溫爐，管線，航空渦輪，廚房用輻射加熱圈等.廣州吉必盛和有關(guān)科研院校共同合作研制的氣相二氧化硅絕熱材料，在800℃熱導(dǎo)率λ低于0.04 W／m·K［4］，是當(dāng)前熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料之一，與目前常用的絕熱保溫材料相比絕熱效果提高5～10倍，減少絕熱層厚度40%～60%，是提高熱能效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的新產(chǎn)品.

圖1 氣相二氧化硅電鏡照片

1.2 沉淀二氧化硅

沉淀二氧化硅一般由水玻璃和酸沉淀所得［5］，具有粒度小、比表面積大、孔隙率高、價(jià)格相對(duì)低廉等特點(diǎn).但是相對(duì)于氣相二氧化硅，其純度比較低（約93%），往往含有2%左右的堿土金屬、酸根離子等雜質(zhì)，并且含水率高，硅羥基的數(shù)目高.沉淀二氧化硅的上述特點(diǎn)使其用更多用于保溫保冷，如果用到絕熱材料的時(shí)侯，其絕熱保溫效果受到一定的影響，特別是高溫使用的時(shí)侯，其熱導(dǎo)率會(huì)顯著升高，并且極易發(fā)生塌陷等情況.

1.3 二氧化硅氣凝膠

二氧化硅氣凝膠是一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，通?？讖叫∮?0 nm，骨架顆粒為1～20 nm，比表面積最高可達(dá)800～1000 m2／g，孔洞率可高達(dá)80%～99.8%［6］.圖2是二氧化硅氣凝膠的典型結(jié)構(gòu)圖.氣凝膠熱傳導(dǎo)有3種途徑，即氣態(tài)傳導(dǎo)、固態(tài)傳導(dǎo)和熱輻射傳導(dǎo).二氧化硅氣凝膠的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可有效地削減這3種傳熱途徑.另外，二氧化硅氣凝膠能耐高溫，一般在800℃下，結(jié)構(gòu)、性能無(wú)明顯變化，因此二氧化硅氣凝膠在作為高溫隔熱材料方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)越性.當(dāng)容積密度約為200 g／L時(shí)可以得到最佳的熱絕緣性，因?yàn)楣腆w和氣體熱傳導(dǎo)曲線在此點(diǎn)重疊達(dá)到最低點(diǎn).盡管二氧化硅氣凝膠的絕熱性能卓越，但是相對(duì)氣相二氧化硅而言，二氧化硅氣凝膠制備中孔隙控制困難、溶劑去除工藝復(fù)雜、特別是大規(guī)模制備更加困難，限制了其大面積的應(yīng)用推廣.

圖2 二氧化硅氣凝膠模擬圖

2 納米二氧化硅絕熱材料應(yīng)用研究進(jìn)展

2.1 建筑領(lǐng)域

納米二氧化硅絕熱材料作為一種新型建筑材料，具有很好的熱穩(wěn)定性、耐熱沖擊性以及隔熱保暖性，可以替代傳統(tǒng)的礦物棉，使房屋既隔熱又保暖.如果將其用于高層建筑，則可取代一般幕墻玻璃，大大減輕建筑物自重，并能起到防火作用［7］.該類(lèi)絕熱材料也可用在太陽(yáng)能墻板構(gòu)件中，將兩塊玻璃之間夾一層氣相二氧化硅，然后把這墻板安在建筑物正面吸熱墻外面，當(dāng)陽(yáng)光照到建筑物上，大部分可見(jiàn)光可透過(guò)二氧化硅層，但是熱量卻被隔在外面，這種透明結(jié)構(gòu)的復(fù)合層比墻體具有更好的隔熱效果，其相應(yīng)研究也越來(lái)越引起人們關(guān)注和興趣.

2.2 管道、爐窯、熱爐等隔熱保溫

在管道、等靜壓爐，軋鋼加熱爐、均熱爐，高溫陶瓷窯、高溫鍛造爐及其它熱工設(shè)備中用氣相二氧化硅或者二氧化硅氣凝膠制備絕熱復(fù)合材料，可以替代傳統(tǒng)的保溫材料，大大減少熱能損失，并降低操作安全風(fēng)險(xiǎn)［8］.

2.3 太陽(yáng)能集熱箱保溫和冰箱低溫隔熱

將納米二氧化硅絕熱材料應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器的儲(chǔ)水箱、管道和集熱器，可使集熱效率提高1倍以上，而熱損失下降到30%.我國(guó)目前擁有家庭太陽(yáng)能熱水器2000萬(wàn)臺(tái)以上，如果每臺(tái)熱水器使用0.1 m3的納米絕熱材料，則全國(guó)將有200萬(wàn)m3潛在市場(chǎng)［9］.用納米多孔二氧化硅取代聚氨酯泡沫作為冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，可以防止氟里昂氣體破壞大氣臭氧層，從而保護(hù)人類(lèi)的生存環(huán)境.

2.4 航空航天及軍事領(lǐng)域

與傳統(tǒng)絕熱材料相比，納米氣相二氧化硅或二氧化硅氣凝膠絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到等效的隔熱效果.這一特點(diǎn)使納米氣相二氧化硅或二氧化硅氣凝膠在航空、航天應(yīng)用領(lǐng)域具有舉足輕重的優(yōu)勢(shì).如用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)、太空探險(xiǎn)工具的絕熱，既起到了極好的絕熱作用，又減輕了機(jī)體重量.目前，納米二氧化硅氣凝膠絕熱材料已取得了一些實(shí)際應(yīng)用，例如：機(jī)艙和飛機(jī)上的黑匣子已用該材料作為隔熱層，也可用于火箭高溫燃料電池的隔熱層；美國(guó)NASA在“火星流浪者”設(shè)計(jì)中，也曾用二氧化硅氣凝膠材料作為保溫層，用來(lái)抵擋火星夜晚零下100℃的超低溫；此外，美國(guó)還開(kāi)發(fā)了一種二氧化硅氣凝膠防熱瓦，其對(duì)航天器的隔熱性能比以往提高了10～100倍.這種防熱瓦還可用于航天器防熱瓦和燃料箱隔熱層，其不僅具有大氣再入隔熱作用，還可以防止深冷燃料箱在發(fā)射臺(tái)等待發(fā)射前結(jié)冰.不少高新武器向輕量化和高性能化發(fā)展，都需要用到絕熱材料.核潛艇上的應(yīng)用二氧化硅絕熱材料可有效降低傳統(tǒng)隔熱材料的用量，增大艙內(nèi)的使用空間，同時(shí)降低艙內(nèi)溫度，有效改善各種工作環(huán)境［10］.我國(guó)也已成功將二氧化硅氣凝膠絕熱材料成功應(yīng)用于高能粒子加速器上［11］.

3 納米二氧化硅絕熱材料絕熱性能的影響因素

3.1 納米二氧化硅的容重和粒徑

容重是材料氣孔率的直接反映，由于氣相的導(dǎo)熱系數(shù)通常均小于固相導(dǎo)熱系數(shù)，所以絕熱材料都具有很高的氣孔率，即很小的容重.一般情況下，增大氣孔率或減少容重都將導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的下降.大量封閉氣孔材料的絕熱性能也比具大量有開(kāi)口氣孔的要好一些.常溫時(shí)，松散材料導(dǎo)熱系數(shù)隨著材料粒度減小而降低，粒度大時(shí)，顆粒之間的空隙距離增大，材料導(dǎo)熱系數(shù)必然增大.對(duì)于納米二氧化硅來(lái)講，均具有超細(xì)的顆粒尺寸和較小容重，特別是氣相二氧化硅和二氧化硅氣凝膠，具有15 nm以下的尺寸和高的孔隙率，使其在絕熱材料應(yīng)用時(shí)，具備更好的絕熱效果.

3.2 含濕率

所有的絕熱材料都具有多孔結(jié)構(gòu)，容易吸濕.當(dāng)含濕率大于5%～10%時(shí)，濕分占據(jù)了原應(yīng)被空氣充滿(mǎn)的部分氣孔空間，引起材料有效導(dǎo)熱系數(shù)明顯升高.因此在制備納米二氧化硅絕熱材料的時(shí)侯，要注意控制粉體水份含量和后續(xù)制備過(guò)程中所用粘結(jié)材料溶劑中易揮發(fā)物的含量，進(jìn)而獲得孔結(jié)構(gòu)完善、孔隙均勻的絕熱材料.對(duì)于氣相二氧化硅來(lái)講，通常含水率低于1.5%，滿(mǎn)足絕熱材料制備水份要求.

3.3 填充氣體的影響

絕熱材料中，大部分熱量是從孔隙中的氣體傳導(dǎo)的.因此，絕熱材料的熱導(dǎo)率在很大程度上決定于填充氣體的種類(lèi).低溫工程中如果填充氦氣或氫氣，可作為一級(jí)近似，認(rèn)為絕熱材料的熱導(dǎo)率與這些氣體的熱導(dǎo)率相當(dāng).

3.4 纖維分布

在于各向異性的材料中，傳熱方向和纖維方向垂直時(shí)的絕熱性能比傳熱方向和纖維方向平行時(shí)要好一些.纖維中如果有氣孔，也會(huì)有助于絕熱性能的提高.合適的長(zhǎng)徑比也會(huì)影響到絕熱材料的性能.因此在選擇纖維的時(shí)侯，要綜合考慮上述各方面因素.

4 納米二氧化硅絕熱材料發(fā)展趨勢(shì)

納米二氧化硅材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)很低，當(dāng)具有很高的孔洞率和比表面積，以及很小粒徑和很低的體積密度時(shí)，能有效阻隔熱量的固體傳導(dǎo)及氣體對(duì)流和傳導(dǎo).特別當(dāng)孔徑小于紅外波長(zhǎng)時(shí)絕熱效果將有本質(zhì)上的突變和提高.納米二氧化硅氣凝膠制備工藝仍較復(fù)雜，成本較高，因此其未來(lái)一段時(shí)間將集中應(yīng)用到軍事航天等特殊領(lǐng)域.另外，單一的二氧化硅氣凝膠因強(qiáng)度低等原因還不能滿(mǎn)足各種復(fù)雜工作環(huán)境的需要.尋求二氧化硅氣凝膠絕熱材料制備工藝上面重點(diǎn)突破，獲得價(jià)格相對(duì)較低能滿(mǎn)足各種復(fù)雜環(huán)境的改性納米二氧化硅氣凝膠是該類(lèi)材料未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)；沉淀法二氧化硅受到純度和高羥基含量等不利因素影響，使其很難用到高溫絕熱保溫領(lǐng)域.氣相二氧化硅具有制備簡(jiǎn)單、綠色經(jīng)濟(jì)、價(jià)格相對(duì)低廉，加上其純度高、穩(wěn)定性好、容重低、孔隙率高的優(yōu)點(diǎn)，使其在絕熱保溫領(lǐng)域具備了推廣應(yīng)用的潛質(zhì)，因此，可以預(yù)見(jiàn)納米氣相二氧化硅絕熱材料未來(lái)將在管道工程、窯爐、鋼包、熱爐、建筑和太陽(yáng)能等領(lǐng)域獲得突破性發(fā)展，推進(jìn)傳統(tǒng)絕熱材料升級(jí)換代.

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The progress of nano－silica insulation material

WU Chun－lei，YANG Ben－yi，LIU Li，KANG Xu
（Guangzhou GBS High－Tech ＆Industrial Co.Ltd.，Guangzhou 510663，China）

The types of nano－silica and their basic characteristics were described，the application progress of nano－silica insulation materials was also reviewed in this paper.The effects of relevant factors on thermal insulation properties of insulation materials were analyzed，The future developing trends of nano－silica insulation material was also discussed.

insulation material；nano－silica；progress

TB383.1

A

1673－9981（2010）04－0491－04

2010－10－26

吳春蕾（1972—），男，山東人，高級(jí)工程師，博士.