SiO2气凝胶的制备在建筑科学方面的应用

摘要：气凝胶作为一种纳米多孔结构的固体新材料，具有超轻、绝热、透明、防火等优异特性。气凝胶在建筑节能领域具有巨大的应用价值，能够显著提高保温效果、节约能源。本文综述了颗粒、毡、板和玻璃等气凝胶在建筑上的多种应用形式，讨论了其在节能门窗、管道保温、墙体保温、保温涂料、混凝土添加剂等方面的使用方法及应用效果，展望了气凝胶在建筑领域的发展方向。

这种被称为“空气凝胶”的固体是一种由玻璃和塑料制成的透气性极强的高科技合成品,轻得像空气一样.空气凝胶实际上早在20世纪30年代就成为科学家研制的对象,20世纪60年代被用作储存火箭液体燃料的工具.最初的空气凝胶是用氧化硅为原料制成的,其化学性质类似玻璃,虽然质量很轻,但质地松脆,而且极易受潮.利文提斯的研究小组将一小条一小条的氧化硅与一种聚氨醋“编织”在一起,但这样得到的合成物仍然很脆,不够坚固.于是研究人员改进合成技术,将只有纳米大小的氧化硅条与组成聚氯醋的两种成分之一的聚异氰酸醋“交叉编织”起来,于是得到了这种轻如空气的空气凝胶.与最初的氧化硅凝胶相比,新的空气凝胶不但防潮,其强度更是增加了100倍.这种新的空气凝胶因其质轻、坚固、防潮、隔热,将有广泛的应用前景.

以十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂,柠檬酸为催化剂,在硝酸镍存在下间苯二酚和甲醛经过溶胶-凝胶反应、还原气体保护下碳化处理得到球状碳气凝胶基磁性吸附材料。采用x射线衍射、扫描电子显微镜、磁力测试、粒径分析对所制备磁性吸附材料进行了表征,结果表明:材料的磁性能优良,比饱和磁化强度和矫顽力分别为17emu/g、124oe,颗粒分布均匀,均值约5μm。通过原子吸收测试表明:材料对重金属离子pb2+的饱和吸附容量可达62.5mg/g。

以正硅酸乙酯为前驱体,氨水、盐酸为催化剂,通过溶胶-凝胶法制备了二氧化硅薄膜.采用提拉法将该二氧化硅薄膜镀在用于太阳能电池组件的低铁玻璃基底上.对薄膜进行了表面处理,薄膜疏水性大大提高,与水的接触角由40°提高到了110°.设计并制备了大面积的样品,400nm到800nm的平均透过率增加了5%以上.疏水性和耐刮擦性能达到工业化生产的需要.

以硅酸钠为硅源，采用化学沉淀法在凹凸棒石表面原位生成纳米sio2，制备sio2／凹凸棒石纳米复合粉体。利用ftir，tg-dtg，tem，氮气吸附脱附曲线等方法对复合材料进行表征。以它为补强剂，采用机械共混法对甲基乙烯基硅橡胶（mvq）进行填充，制备了具有优异力学性能的纳米at／mvq复合材料。结果表明，在凹凸棒石表面存在无晶型的sio2粒子的同时，凹凸棒石分散体之间也存在sio2的聚集体，粒径大约在6-8nm，复合材料应用在硅橡胶中具有补强效果．

近年来，市场上所用的模塑（石墨）聚苯乙烯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等有机类保温材料导热系数较低，但燃烧性能达不到a级要求，燃烧时易释放大量有害物质，消防隐患很大。虽然所用的岩棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等无机类保温材料燃烧性能达到a级，但密度又偏大，导热系数偏高，这都导致两类建筑保温材料在实际应用中的局限性。气凝胶材料，被称为“最轻的固体材料”，是一种无机材料，具有a级不燃的特性，同时其导热系数较低，因而成为国际关注的新型隔热材料，又被称为“超级隔热保温材料”。本文通过探析低成本制备的气凝胶材料在建筑外墙保温系统的应用，实现高效节能与防火兼备，提升建筑节能水平，推进建材行业循环、绿色、低碳发展。

分析了sio2气凝胶高温隔热特性和透波特性,与常用的隔热材料和透波材料对比,sio2气凝胶具有较低的热导率和较小的介电常数,是一种高温隔热透波性能良好的材料。分析了夹层结构天线罩宽频带透波的原理,介绍了夹层结构天线罩的研究进展。结果显示,sio2气凝胶材料因其良好的高温隔热透波特性能够满足夹层结构天线罩内层材料的需求,必将在夹层结构天线罩上得到广泛的应用。

采用溶胶-凝胶法,以首次合成的具有桥式结构的间苯二亚甲基二脲基丙基三乙氧基硅烷(m-xdupteos)和正硅酸乙酯(teos)为前驱体,共同水解缩聚制备了不同摩尔配比的桥式聚倍半硅氧烷/sio2杂化溶胶,并旋涂制膜.通过uv-vis,afm和tga对薄膜的光学性能、表面形貌和热稳定性进行了分析.结果表明,该薄膜平整均匀、具有良好的光学透明性、热稳定性和防潮性能.

我们制作了一种由π-共轭聚合物聚对苯撑亚乙烯(ppv)均匀掺杂sio2的块状溶胶-凝胶材料,该材料具有良好的光学品质和光学加工性能.通过扫描隧道显微镜(stm)、紫外-可见吸收光谱和付氏红外光谱(ftir)等方法研究了它的非线性光学特性.在对材料进行的光学两波耦合实验中,观察到了非对称能量耦合现象,并对此进行了分析.从吸光度和两波耦合衍射效率两方面对比了含pmma和不含pmma的两批不同掺杂浓度的ppv/sio2sol-gel材料的不同特性.

气凝胶材料在建筑节能领域的应用,特别是在我国建筑节能领域的应用还属新鲜事物。介绍了气凝胶材料及其国内外研究进展,介绍了西方国家中气凝胶在建筑节能领域已有的几种应用形式,阐述了气凝胶在墙体保温中的应用思路。

近年来,市场上所用的模塑(石墨)聚苯乙烯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料等有机类保温材料导热系数较低,但燃烧性能达不到a级要求,燃烧时易释放大量有害物质,消防隐患很大。虽然所用的岩棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等无机类保温材料燃烧性能达到a级,但密度又偏大,导热系数偏高,这都导致两类建筑保温材料在实际应用中的局限性。气凝胶材料,被称为\"最轻的固体材料\

以工业石蜡为相变芯材,在硅烷偶联剂参与下,通过溶胶-凝胶法制备石蜡/sio2储能相变材料.并利用透射电子显微镜,热重分析,傅里叶红外光谱仪和方差扫描量热法等测试技术对石蜡/sio2储能相变材料的结构和性能进行了测试和分析,最后利用瞬态热线法对石蜡/sio2储能相变材料的导热系数进行了测试.结果表明,石蜡/sio2储能相变材料的相变芯材石蜡在吸热熔化后不会渗漏;石蜡/sio2储能相变材料中石蜡的含量约为39%时,相变温度和相变潜热分别为39.15℃和59.33j/g;石蜡/sio2储能相变材料的导热系数为0.0845w/（m·k）,可作为一种良好的保温隔热建筑材料.

采用溶胶-凝胶法制备适合al2o3、aln陶瓷基板厚膜浆料用bao-zno-b2o3-sio2(bzbs)系无铅低熔玻璃粉。研究了ph值、温度对凝胶化过程的影响,并通过tg-dsc、xrd、sem等手段分析了玻璃粉体性能、结构及形貌变化。结果表明:溶胶-凝胶法得到的bzbs玻璃粉经500℃热处理后其主要物相组成为非晶玻璃相和少量微晶,析出的主要晶相为baco3以及少量ba(co3)0.9(sio4)0.1和zno。溶胶-凝胶法制备的bzbs玻璃粉经850~900℃热处理,不仅能与al2o3陶瓷基板,还能与aln陶瓷基板形成很好的润湿,可以作为陶瓷厚膜金属化电子浆料用玻璃粘结剂。

本文采用溶胶凝胶法,以聚四氟乙烯乳液(ptfe)和硅溶胶(sio2)为主要原料,在玻璃基片上制备了一种有机-无机杂化薄膜。利用接触角测量仪和扫描电镜等手段对样品薄膜表面的接触角大小和显微结构进行了表征和分析,通过正交试验和方差分析考察了原料配比、水浴温度和陈化时间对薄膜表面接触角影响的显著性大小,并对疏水薄膜的工艺及显微组织进行了研究。结果表明,影响接触角的显著性依次是:原料配比>水浴温度>陈化时间;当vptfe:vsio2:vh2o=10:15:5(ml)时,常温下制备的溶胶在陈化24h后所制样品薄膜的静态接触角为98.73°,薄膜具有疏水性,此时薄膜具有凹凸不平的粗糙结构,表面有微米级的沟槽、凸起和线条状组织。

sio2气凝胶由于其独特的纳米多孔结构及超低的导热系数引起人们广泛关注。以纤维毡为基材与sio2气凝胶复合,经表面修饰和常压干燥制成的超低导热系数保温隔热材料,既保留了纯气凝胶独特的纳米孔结构及超低的导热系数,又大幅度提高了机械强度,扩展了其在保温隔热领域的应用。该材料常温常压下导热系数小于0.025w/(m·k),抗压强度大于2mpa,是一种新颖的优质保温隔热材料。

具有纳米多孔网络结构的sio2气凝胶与透气性优良的无纺布或毡进行复合,可得到具有高吸附性能的纳米复合材料,其饱和吸苯率达到并超过了传统的吸附材料。纳米复合材料的饱和吸苯率与单位面积所复合的sio2气凝胶量和其本身的饱和吸苯率成正比关系,复合工艺对气凝胶孔结构的影响很小,符合一定的理论推导公式。

以sio2气凝胶为功能填料,丙烯酸树脂为成膜剂,制备透明隔热涂料。将其涂覆于5mm厚的普通玻璃上制成涂层,并对涂层进行一系列性能测试,包括接触角、红外光谱、光学性能及隔热效果等。结合实验数据分析纳米sio2含量对复合涂料性能的影响,得出最佳的涂料配方。结果表明,该透明隔热涂料具有良好的化学稳定性和隔热性能,在500w红外灯照射10min时,样品与空白玻璃温差为11℃。

气凝胶种类很多,从硅系、碳系、金属氧化物系和高分子系四方面综述了气凝胶的研究进展,并对气凝胶的发展方向进行展望。通过降低气凝胶制造成本,提高其本身力学性能,将有助于气凝胶在更广阔的空间发挥作用。气凝胶的高分子化及多功能化也将成为今后发展的重要方向之一。

研究探明了有机染料的荧光发射波长的位移机制。ｒ６ｇ和ｒｂ染料随掺杂浓度的提高而出现的谱线红称是由于二聚物的形成导致的，而凝胶玻璃中ｃ１２０染料的红移是由溶剂效应引起的。同时，ｓｉｏ２凝胶玻璃中ｒｂ的谱线红移也可能由酯化反应所导致，这种红移在热处理至３００℃时可由ｒｂ的内酯化产物形成而降低。

实验过程采用热压浸渍加入发泡剂方法制备发泡型sio2气凝胶核/聚苯乙烯壳复合珠粒,当加入14份发泡剂珠粒在90℃、压力0.9mpa条件下反应9h制备得到发泡剂含量为7%左右的可发性复合珠粒。同时对其发泡成型的原理、工艺流程、影响因素及参数控制等进行了研究,实验结果表明,在蒸汽压力为0.4mpa的条件下经40s制备得到发泡倍率为20左右、密度为0.025g/cm3的预发复合珠粒,再经过模塑蒸汽发泡,蒸汽压力0.35mpa、通气时间180s,最终制备出保温性能优异(导热系数可达0.026w/(m·k))、力学性能良好的sio2气凝胶核/聚苯乙烯壳复合保温板。

正压通风在建筑方面的应用

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