在发达国家和许多国家,温室气体排放是当前的一大问题。减少温室气体的最具成本效益的行动之一是改善住宅和商业建筑物的隔热性。显然,为了在建筑物中有更好的绝缘性,传统的绝缘性可用于较厚或多层的建筑。

尽管如此,正在研究具有较好热性能的新材料,如气凝胶和真空绝缘板,以用于建筑物。只有通过生产新的先进材料和使用这些材料,特别是在玻璃表面,才能实现建筑物可持续发展的目标。在不同的外力作用下,可增加建筑物的耐久性,并可通过高水平的隔热来提言能源效率。

气凝胶被认为是当今建筑应用中最有前途的高性能保温材料之一。与传统的隔热材料相比,气凝胶的导热系数降至0.013~0.018W/(m·K)。建筑业也对太阳能光谱中的高透光率很感兴趣。有了适当的知识,建筑师和工程师都有机会重新发明建筑解决方案。在这项工作中,我们回顾了气凝胶绝缘的一般知识,特别是建筑应用的知识。气凝胶是一种合成的多孔超光材料,由凝胶中的液体成分被气体取代。它是一种先进的材料,在《吉尼斯世界纪录》中包含了15项关于最低密度固体和最佳绝缘子等特性的记录。它是一种以硅为基础的物质,由一个松散的硅原子网络组成。

气凝胶是20世纪30年代发明的纳米颗粒-气凝胶是在二氧化硅胶合在溶剂中形成的,当溶剂去除时,残留的是"膨胀的沙子",孔隙度高达99%。

纳米矿石将空气分子封住,阳止热流和长分子链通过二氧化硅增加固体通道长度,降低了导热性。这两项创新有助于将航空凝胶从实验室的好奇心转向工业产品。超临界二氧化碳2萃取将周期时间从几个月减少到几个小时,并将湿凝胶铸造成纤维的打击提供了机械完整性。

1、气凝胶毡

气凝胶毡是一种新型材料,具有极低的导热性,使材料成为良好的绝缘材料。事实上,现在气凝胶毯被用来提高现有墙壁的能量性能。使用气凝胶毯作为墙上的绝缘材料意味着替换现有的绝缘材料。当建筑物组件中的材料被更换以提高某一特定性能时,重要的是要验证墙体的其他功能要求如防火性能的影响。

气凝胶是合成的低密度材料,具有独特的物理性能。它们是在特殊干燥条件下从凝胶中除去液体,绕过环墇蒸发过程中经历的收缩和裂纹而形成的。这创造了一个立体的纳米孔结构,含有80-99%的空气。由于气凝胶的孔率很高,因此它的热传导率比任何固体都低,同时对光和太阳辐射是透明的。气凝胶常被认为是半透明绝缘应用的一种有前途的材料。它们几乎可以由任何材料制成,尽管最常见的形式是可作为颗粒或在圆体(单片)瓷砖中生产的硅胶。建筑业的一般商业产品包括:气孔绝缘、含颗粒气的抛光装置和覆层系统

超临界CO2萃取将周期时间从几个月减少到几个小时,并将湿凝胶铸造成纤维,提供了机械完整性。半透明和不透明的绝缘板,毯子和可拉伸的屋顶膜嵌入了气凝胶微粒。透明的整体硅胶气凝胶被认为是未来上釉技术的"圣杯",其U值可能低至0.1W/M2.K。然而,由于生产成本高,加工时间长,且难以制作出完全透明的大型均匀样品,对整块玻璃的研究和开发受到限制。

2、气凝胶的性能

多孔绝缘材料的总导热性取决于孔内的对流传热、固体和孔隙的传导和辐射。一般来说,传统绝缘材料中的孔隙都超过1室米宽,使气本分子能够自由运动,并通过对流转移热能。相比之下,气凝胶中的孔隙可以小到20-40英里(甚至比60-100英里时的"平均自由路径"要小)。因此,孔内的单个空气分子没有空间通过对流转移热能。

通过固体结构和气凝胶内的空气分子的传导也是极小的。由于对流空间很小,空气分子不断与孔隙壁碰撞,抑制气体传导。此外,由于气凝胺只含有0.1.5%的二氧化硅,空气的导热性很低,传热很小,气体的导电性随压力的降低而减小。气孔内的真空使其具有最好的绝缘性能,其导热系数为0.004W/MM.K(比传统绝缘高10倍)。

气凝胶的辐射传热量取决于热辐射的强度和波长、材料的光学特性、孔隙的大小和形状及其整体厚度。在环境温度下

由于高吸收和高反射水平,纳米孔和颗粒提供了有效的红外热辐射衰减研究了二氧化硅气凝胶的光学和红外特性。二氧化硅气凝胶可被认为是有效传输太阳能的透明绝缘材料,但能阻止热红外辐射。材料呈现出高半透明度,常伴有轻微的蓝色薄雾。这可以归因于"瑞利散射"，,这种光现象发生在光散射出比光波长更小的粒子时,蓝色光谱中较短的波长最容易散射。

3、环境影响

制备气凝胶涉及三个关键步骤:凝胶制备、老化和干燥。其目的是建立一个凝胶,加强和纯化它,然后去除所有的液体从孔中,而不崩溃的固体结构(通过超临界或亚临界干燥技术实现)。这些过程通常涉及混合相当有毒的化学品和进行复杂的扩散控制过程,消耗大量的溶剂。此外,最后一步往往伴随着密集的干燥过程,可能消耗大量的能源和二氧化碳。

4、气凝胶的优势

气凝胶的独特特性为建筑物提供了许多新的应用。由于气凝胶的隔热性和光学透明度非常低,因此可以在窗格和太阳能集热器的盖子上应用。由于其降低噪音的导热性和声学性能低,空气凝胶可用于建筑物,以及在室内空气净化中的吸附和催化作用,在环境清理中的光催化作用,在厨房的防火板中的不燃烧性(无机气体)。气凝胶材料也可用于建筑物的墙壁、阁楼、地面和电器。气凝胶的不寻常特性为其在建筑物中的应用开辟了新的机会。它们的主要好处包括:由于减少了室内热空气或空调空气的损失,良好的绝缘性能提供了能源和节省了费用:由于去除了空气传播的污染物,使室内环境更加健康;由于气凝胶的不燃烧性和声学特性,使其具有加热和隔音性能。最重要的是,它们是方便用户、可回收和可重复使用的。

5、气凝胶在建筑上的应用

1、屋顶:气凝胶绝缘可以隔离屋顶空腔,也可以用来减少屋顶梁的热桥接。它可以用于高绝缘的家庭,从外部密封,在砖石和瓦之下,它有很高的岛屿价值。

2、框架: 在一个典型的建筑中,框架(建筑物包絡的25%)是不绝缘的,导致热损失通过螺栓。绝缘阻止这种"热桥接",并提高热性能高达40%的钢螺栓和15%的木螺栓

3、楼层: 气凝胶绝缘的热效率,良好的压缩强度和薄型材,使它成为地板下绝缘层的吸引力,在那里高度是一个问题。它在地板下快速安装不破坏门配件,同时提供大量节能。气凝胶绝缘是一种快速、成本效益高的地下室翻新解决方案,易于安装,提高了热舒适性,并且不会因其如此薄而破坏门配件。它安装得很快,能改善房屋的热舒适性。如果与辐射地板使用,它节省能源,并使快速加热循环。

气凝胶作为一种超级绝缘体:气凝胶是一种透明材料,具有高的光学性能,如高的光和太阳能透光率,但与玻璃等通常使用的透明材料不同,它也具有很好的隔热性能;它实际上被用作太阳能收集器和办公室的透明墙。高能效窗户:除了硅气凝胶的低导热性外,还实现了高的太阳能和日光透光率。事实上,通过窗户使用被动太阳能,就有可能减少在赛冷气候下。