建筑节能材料调研
目录
建筑节能材料调研........................................................................................................ 1 一.
中空玻璃.......................................................................................................... 2 1. 简介........................................................................................................... 2 2. 基本结构................................................................................................... 2 3. 优点........................................................................................................... 3 4. 应用........................................................................................................... 3 5. 存在问题................................................................................................... 3 6. 解决方案................................................................................................... 3
二.
纳米二氧化硅气凝胶...................................................................................... 4 1. 简介........................................................................................................... 4 2. 优点........................................................................................................... 4 3. 存在问题................................................................................................... 4
三.
纳米氧化硅气凝胶填充中空玻璃.................................................................. 5 1. 简介........................................................................................................... 5 2. 研究现状................................................................................................... 6 3. 存在问题................................................................................................... 8
四. 五.
解决方案.......................................................................................................... 8 国内外文献汇总.............................................................................................. 9 1. 国内专利................................................................................................... 9 2. 国外专利................................................................................................. 10 3. 学位论文................................................................................................. 11
一. 中空玻璃
1. 简介
中空玻璃由美国人于1865年发明，是一种良好的隔热、隔音、美观适用、并可降低建筑物自重的新型建筑材料，它是用两片（或三片）玻璃，使用高强度高气密性复合粘结剂，将玻璃片与内含干燥剂的铝合金框架粘结，制成的高效能隔音隔热玻璃。中空玻璃多种性能优越于普通双层玻璃，因此得到了世界各国的认可，中空玻璃是将两片或多片玻璃以有效支撑均匀隔开并周边粘结密封，使玻璃层间形成有干燥气体空间的玻璃制品。其主要材料是玻璃、铝间隔条、弯角栓、丁基橡胶、聚硫胶、干燥剂。
2. 基本结构
中空玻璃是由两层或多层平板玻璃构成。四周用高强高气密性复合粘结剂，将两片或多片玻璃与密封条、玻璃条粘接、密封。中间充入干燥气体，框内充以干燥剂，以保证玻璃片间空气的干燥度。可以根据要求选用各种不同性能的玻璃原片，如无色透明浮法玻璃压花玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃、夹丝玻璃、钢化玻璃等与边框（铝框架或玻璃条等），经胶结、焊接或熔接而制成。其结构如图双层中空玻璃剖面图。中空玻璃可采用3、4、5、6、8、10、12mm厚片度原片玻璃，空气层厚度可采用6、9、12mm间隔。
3. 优点
中空玻璃因为特殊的结构，具有以下优点：①较大的节能效果。高性能中空玻璃，由于有一层特殊的金属膜，可达到0.22-0.49遮蔽系数，使室内空调（冷气）负载减轻。传热系数1.4-2.8W（m2.K），比普通中空玻璃好。对减轻室内暖气负荷，同样发挥很大效率。因此，窗户开得越大，节能效果越明显。②改善室内环境高性能中空玻璃可以拦截由太阳射到室内的相当的能量，因而可以防止因辐射热引起的不舒适感和减轻夕照阳光引起的目眩。③丰富的色调和艺术性高性能中空玻璃有多种色彩，可以根据需要选用色彩，以达到更理想的艺术效果。④高性能中空玻璃用途适用于办公大楼、展览室、图书馆等公共设施和像计算机房、精密仪器车间、化学工厂等要求恒温恒湿的特殊建筑物。另外也可以用于防晒和防夕照目眩的地方。
4. 应用
中空玻璃主要用于需要采暖、空调、防止噪音或结露以及需要无直射阳光和特殊光的建筑物上。广泛应用于住宅、饭店、宾馆、办公楼、学校、医院、商店等需要室内空调的场合。也可用于火车、汽车、轮船、冷冻柜的门窗等处。
5. 存在问题
中空玻璃中间封入干燥空气，因此根据温度、气压的变化，内部空气压力也随之变化，但玻璃面上只产生很小的变形。另外，制造时可能产生微小翘曲，施工过程中也可能形成畸变。所以包括这样一些因素在内，有时对反射也相应地有些变化，应予以重视。选用颜色不同，反射也不尽相同。
6. 解决方案
采用纳米二氧化硅（SiO2）气凝胶作为填充剂填入到中空玻璃的夹层中。
二. 纳米二氧化硅气凝胶
1. 简介
纳米二氧化硅（SiO2）气凝胶是一种结构可控的纳米多孔轻质材料，它具有纳米结构（孔洞1～100nm，骨架颗粒为 1～20nm）、表面积大（最高可达800～1000m2/g）、孔洞率高（可高达 80%～99.8%）等特点。纳米SiO2气凝胶独特的结构特性使得气凝胶在热学、电学、声学、光学等方面具有奇异的性能。纳米SiO2气凝胶的导热系数可达到0.013W/（m.K）以下，远低于常温下空气的导热系数0.025W/（m.K），是所有固态材料中隔热性能最好的一种，且密度低、防水阻燃、绿色环保、防酸碱、耐腐蚀、不易老化、使用寿命长，是其他传统材料所无法比拟的，产品具有很高的附加值，因此被称为超级保温材料，这些奇异性能使之在很多领域具有极大的应用潜力，例如建筑节能、能源、环保、航空航天、输油管道、太阳能集热、炉窑保温等领域。
2. 优点
由于二氧化硅气凝胶有低热导率、低密度、良好的透光性、化学稳定性和环保性等优点，所以考虑把氧化硅气凝胶作为建筑节能材料的主要考虑填充剂。
3. 存在问题
近年来，国外绝热保温材料发展明显加快，由于整体纳米技术的发展，又激发起了人们对纳米孔超级绝热材料的重视，美国和欧洲各国的研究异常活跃，日本及韩国也进行了较多的开发。美国阿斯彭公司（ASPEN）对纳米SiO2气凝胶隔热的研究较早，对纳米SiO2气凝胶隔热机理认识比较深刻，主要针对柔性纳米SiO2气凝胶隔热产品的开发和应用。但是，美国纳米SiO2气凝胶产品对中国却是完全禁用的。
国内的同济大学、厦门大学、北京科技大学对纳米SiO2气凝胶也有研究，但都仅限于基础研究领域。浙江的绍兴市纳诺高科有限公司率先将纳米SiO2气凝胶产业化，但该公司在生产过程中要用到价格昂贵的有机硅作为原料，同时还要应用投资较大的超临界技术，因此生成的纳米SiO2气凝胶价格非常昂贵（高达2000～3000元/kg），限制了其使用范围。
目前，如何优化和改善纳米SiO2气凝胶的生产工艺，降低生产成本，是纳
米SiO2气凝胶大面积成功应用于建筑材料的关键。基于上述研究目标，一直致力于高效节能、防火安全的建筑保温体系开发的北京建筑材料科学研究总院有限公司，近几年通过与国际知名的气凝胶生产商技术合作，利用水玻璃作为原料，摒弃超临界干燥等复杂工艺而选用常温常压干燥的技术制备纳米SiO2气凝胶，极大地降低了气凝胶的制造成本（30-50元/kg），使得纳米SiO2气凝胶在建筑材料领域的大面积应用成为了可能。纳米SiO2气凝胶经过玻璃纤维等耐热纤维骨架复合后，将成为最好的固体保温隔热材料。
以下将超临界干燥技术与常温常压干燥技术2种技术进行比较。超临界（Super Critical）干燥技术工艺的不足与缺点主要表现为，现有的生产技术是使用离子交换树脂，采用Super Critical生产技术设备，具有高温、高压的危险隐患，生产设备费用高，初期投资费用高，不能连续生产，生产时间周期长。
常温常压干燥技术工艺则不使用任何离子交换树脂，脱水/防水化的工艺变成一个阶段（即干燥过程中脱水与疏水同时进行），提高了效率，工程进度时间也缩短不少，常温常压下生产所需时间是4～5h（原工艺需要100h以上），具备持续性大量生产的能力 ；减少利用防水化材料，程序费用减少了 ；以水玻璃为原料，成本较低，成品具有价格竞争优势，仅为原来的1/10-1/8。
2种工艺过程迥异，但制备的纳米SiO2气凝胶性能却基本一致，2种工艺制备的纳米SiO2气凝胶技术指标比较见表2所示。由此可以看出，常温干燥工艺技术具有很好的创新性，生产出的产品性能能够满足需要，且具有较高的性价比。
三. 纳米氧化硅气凝胶填充中空玻璃
1. 简介
在双层玻璃中间填充透明保温材料，是降低通过玻璃层传热的方法。纳米SiO2气凝胶材料有很小的孔结构，比可见光的波长小很多。在纳米SiO2气凝胶中，约占气凝胶体积95%～99%的空气存于比空气平均自由路径还小的细孔中。由于纳米SiO2气凝胶具有足够的抗压强度，能平衡外界气压，故由纳米SiO2气凝胶制备的玻璃，既满足热绝缘性能要求，也满足光学性能要求，从外观和透明度看，和普通玻璃相似，但是它耐热性极高、阻燃、抗放射性辐射，还可以调色和吸音。
2. 研究现状
以下专利资料罗列了纳米氧化硅气凝胶填充到中空玻璃这一技术的研究现状：
这些专利资料都显示出原料都使用有机硅源，干燥方式都用超临界干燥制备，
其中有些专利制备的信息并不完整。
3. 存在问题
（1）氧化硅气凝胶的疏水性
因普通的SiO2气凝胶具有表面开放多孔结构以及亲水性基团硅羟基，使得SiO2气凝胶非常容易吸收水或水蒸气，造成材料的载荷大量增加，抗张强度大幅度降低，有时甚至会导致SiO2气凝胶开裂直至完全损坏。目前，由于制备需要高温高压或高压的超临界干燥设备，以及价格昂贵的醇盐原料，如正硅酸乙酯或正硅酸甲酯等，纳米SiO2气凝胶作为隔热材料的发展受到限制，仅在航天领域或高档设备仪器中得到应用。因此，如何改性纳米SiO2气凝胶，使其由亲水变为疏水，通过常压干燥并保持气凝胶独特的结构，开发出节能隔热新型建筑材料显得至关重要。
（2）氧化硅气凝胶成本
纳米SiO2气凝胶成本在建筑领域，纳米SiO2气凝胶合成应用成本过高，只有降低纳米SiO2气凝胶的生产成本，才能使得这种新型的功能材料得到广泛应用。由于超临界干燥设备需要的投资大、成本高、高压设备操作危险，因此通常采用常压干燥设备来解决上述问题。但常压干燥工艺用于大规模生产气凝胶时，如何稳定地提高反应速度，加快改性液的渗透性，以及以什么形式应用于建筑，都是目前急需解决的问题。
四. 解决方案
五. 国内外文献汇总
1. 国内专利
2. 国外专利
3. 学位论文