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气凝胶玻璃的研究与应用

建筑用气凝胶节能玻璃的研究与进展

我国建筑业在近二十年取得了巨大进步，但同时建筑耗能也成为不能忽视的问题。建筑节能已成为我国节能减排规划的重点内容。从2019年GB/T 51350-2019《近零能耗建筑技术标准》的发布可以看出，全力解决建筑耗能问题已迫在眉睫。目前，传统玻璃的传热系数较大，导致建筑围护结构耗能占据了整体建筑耗能的40%，而低能耗建筑用节能玻璃是解决问题的突破点。由于气凝胶具备各项优异物理性能，因此气凝胶玻璃在近年来备受关注。根据建筑用节能玻璃原理可知，影响建筑玻璃耗能的主要因素是玻璃的传热系数及遮蔽系数。目前市面上的主流节能玻璃分为三类，分别为隔热性能型节能玻璃的中空玻璃、真空玻璃；遮阳性能型节能玻璃的镀膜玻璃、调光玻璃；吸热性能型节能玻璃的吸热玻璃。气凝胶材料是三维空间纳米网络结构新材料，具有密度低、导热系数低、比表面积大、折射率低、透过率高、隔音效果好和介电常数低等优异的物理性能。气凝胶的各项性能使得气凝胶玻璃具有良好的隔音和隔热效果、较低的传热系数、较好的遮阳系数及较高的透明度。

5月13日，爱彼爱和气凝胶玻璃（左）在第二十届国际绿色建筑与建筑节能大会展出

前言

气凝胶玻璃制品目前在高科技领域得到了广泛应用：用做航天、航海的窥视窗，代替汽车的钢化玻璃，在原子能和激光领域作为可透过各种射线的结构材料，做精密光学仪器的光学元件等。

气凝胶玻璃以其超级绝热性能、良好透光性及消音降噪等特性，在建筑节能领域具有广阔的发展和应用前景。

一、气凝胶玻璃

气凝胶，又被称为“固态烟”或“冻烟”，是目前已知最轻固体材料，由Kistler在1931年第一次成功制备，而气凝胶玻璃在1977年由日内瓦欧洲核研究中心第一次制备。气凝胶玻璃具有良好的透光性、较低的传热系数和极好的隔音性效果，近年来低碳和绿色建筑等理念的提出使其备受关注。

目前，气凝胶玻璃分为三类，分别是整块气凝胶玻璃、镀膜气凝胶玻璃和颗粒气凝胶玻璃(见表2），其中颗粒气凝胶玻璃由于优异的物理性能、简单的制备工艺和较高的良品率而应用前景最佳。

1.1

整块气凝胶玻璃

在三种气凝胶玻璃制备工艺中，整块气凝胶玻璃的太阳能热系数（SHGC）最佳、导热系数最低、透明度最高。经测试，10mm厚度的整块气凝胶玻璃的太阳能热系数为0.9，而同样厚度的颗粒气凝胶玻璃只能达到0.5；20mm厚度的整块气凝胶玻璃的传热系数为0.5W/(m2•K)，导热系数为0.017W/(m·K)，而相同厚度的颗粒气凝胶玻璃的传热系数为0.7W/(m2•K)，导热系数为0.025W/（m·K）；20mm厚度的整块气凝胶玻璃的可见光透光率为90%，而相同厚度的颗粒气凝胶玻璃仅为60%。但由于气凝胶本身的物理性质导致的易碎、整块良品率极低，使得制备大体积整块气凝胶有着很大的难度，且成本极高。

1.1.1　整块气凝胶制备

SiO2气凝胶制备工艺流程主要有溶胶凝胶、老化、干燥三个步骤（见图1）。透明气凝胶制备硅源选择以TEOS、TMOS两种单一硅源为主，但由于刚性的硅氧键（Si-O-Si）链接，使得此类SiO2气凝胶骨架的力学性能较差，制备整块气凝胶相对困难，且制备后损坏率极高。因此，如何在不影响透明度的基础上改进力学性能成为了关注的重点。在硅源选择上，一些专家选择了柔性气凝胶制备常用的MTES、MTMS作为硅源，通过表面活性剂的添加和制备工艺的调整制备出透明柔性气凝胶。2007年，Kanamori等使用MTES为单一硅源，甲醇为溶剂，草酸和氨水为酸碱催化剂，十六烷基三甲基溴化铵为表面改性剂（CTAB)，制备出可见光透射率60%、75%、80%的整块透明柔性气凝胶（见图2），同时具备一定的压缩回弹性，为整块透明气凝胶发展提供了新的研究思路。2016年，Shuimizu等首次使用ETMS与VTNS分别制备了对应气凝胶，都表现出了良好的透光率和力学性能（见图3）。由于此类透明柔性气凝胶导热系数低、透明度较高、力学性能良好，使得其在建筑围护结构的发展中具有很好的发展前景。目前，国外的整块气凝胶玻璃示范工程以此类气凝胶为主。除了提高柔性气凝胶的透明度，很多专家针对提高TEOS、TMOS为硅源的透明气凝胶的力学强度进行了大量研究。例如，使用TEOS、TMOS和MTES、MTMS复合，应用杂化前驱体法制备气凝胶，但在提高柔性的同时会降低透明度，此项研究正在进行中。

1.1.2　不同气候地区建筑用整块气凝胶玻璃模拟

Schultz等制备了芯材为15mm、20mm的气凝胶块体，将其夹在两块4mm的玻璃中间，两块样品中心的传热系数分别为0.66W/(m2•K)和0.5W/(m2•K)，太阳能总透射率为76%和75%。Cb A等针对建筑用气凝胶玻璃研究发现，整块气凝胶玻璃的导热系数在常压和真空状态下分别为0.017W/（m·K）和 0.007W/（m·K），且可见光透射率高达90%，雾度为0.01，和浮法玻璃雾度相同，且相对于传统玻璃能将噪音多降低3分贝。王欢等以广州大学图书馆为样本（见图4），使用建筑性能模拟分析软件IES<VE>对气凝胶玻璃在内的五种玻璃进行了夏热冬暖地区建筑空调冷负荷模拟计算，结果表明，在夏热冬暖地区通过玻璃的太阳辐射形成的辐射热是冷负荷的主要消耗原因，由此可知玻璃的遮阳性能是影响空调冷负荷的主要因素，最终得出结论气凝胶玻璃能显著减少夏热冬暖地区的空调冷负荷。

Wang等制备了15mm的整块气凝胶玻璃在哈尔滨、北京和上海进行能耗测试，一年分别可以节省20%、11%和9%的能耗，证明气凝胶玻璃具有极大的节能优势，且在寒冷地区的节能效果更加明显。当使用三层玻璃进一步降低玻璃U值时，在严寒地区的最高节能可达到73%。有结果表明，传热系数和遮蔽系数对玻璃能耗的高低起到决定性的作用。

1.1.3　整块气凝胶玻璃应用实例

Berardi等对整块气凝胶玻璃的热测试、照明测试等多学科进行了分析，并将整体式气凝胶玻璃应用于20世纪60年代完工的教学楼的改造工程（见图5）。

在改造过程中，使用300mm×400m×12mm小块气凝胶块与4mm厚度的普通浮法玻璃进行复合，将教学楼不同房间的玻璃按比例进行替换，分别替换40%、60%、80%、100%，和原始样本进行对比，玻璃的U值随着气凝胶面积替换比例的增加而增加，空白样本的U值为1.5W/(m2•K)、40%替换面积的U值为1.2W/(m2•K)、60%替换面积的U值为0.9W/(m2•K)、80%替换面积的U值为0.7W/(m2•K)、100%替换面积的U值为0.6W/(m2•K)。通过加热和制冷试验证实，气凝胶替换量达到60%时就可以保证制冷相同温度能耗不变，而加热能耗则随着替换率增高而不断降低。在日照方面，使用40%替换量可以改善UDI（使用单一透明玻璃的UDI为36.2，而40%替换面积可以达到36.8），但继续提高气凝胶替换面积会对日照可用性造成一定影响。经测试和模拟得到结论，通过气凝胶玻璃的替换可以实现高达80%的节能效果。

1.2

镀膜气凝胶玻璃

镀膜气凝胶玻璃也叫气凝胶涂膜玻璃，由于其工艺不完善、使用寿命较短及节能效果不明显，目前国内外研究较少。Kim等将浮法玻璃浸泡在SiO2气凝胶前驱体溶液中，使用常压干燥制备了镀膜气凝胶玻璃，数据推测，当镀膜厚度为100μm时，镀膜本身导热系数为0.016W/（m·K），透光率超过90%。杨丽修等通过酸碱两步法制备气凝胶溶液后使用浸渍提拉法和旋转镀膜法实现了气凝胶玻璃镀膜。赵娥将气凝胶用甲醇溶解后通过旋转镀膜法将气凝胶均值分散后均匀镀膜在玻璃上，成功制备了镀膜气凝胶玻璃，将玻璃导热系数由1.332W/（m·K）降低至1.302W/（m·K），但同时透光度降低了12%，且发现此样品具有一定的自洁能力。此外，赵娥等[30]在FTO玻璃表面也进行了SiO2气凝胶镀膜，成功制备了兼具低辐射性、低导热性的FTOSiO2气凝胶镀膜复合玻璃，辐射率为0.53，导热系数降低了0.247W/（m·K）。李金等使用两步法将聚合物沉淀法制备的80nm VO2薄膜与溶胶凝胶法制备的1μm SiO2气凝胶薄膜复合在玻璃表面，制备了SiO2-VO2复合气凝胶镀膜玻璃，导热系数为0.019W/(m·k)，且具有热致变色性能，可见光区透射率达到45%，并具有46%的透光率调控幅度。

1.3

颗粒气凝胶玻璃

颗粒气凝胶玻璃由于其填充物气凝胶颗粒使得太阳辐射扩散，导致其允许太阳辐射进入，但不允许太阳辐射透过，从而呈现透光但不透明的状态。这使得颗粒气凝胶玻璃的适配建筑应用为不需要视觉互动的场景，如机场棚顶、火车站幕墙、篮球馆透光幕墙等。颗粒气凝胶玻璃样品如图6所示。

吕亚军等制备了8种不同结构的颗粒气凝胶玻璃，发现气凝胶填充颗粒粒径大小与填充厚度对气凝胶透光和隔热性能具有一定影响，由试验数据可得，气凝胶颗粒粒径从0.41mm增大至0.93mm时，在相同填充厚度的情况下，透明度增长较明显，继续增大粒径则无明显变化；颗粒粒径从0.41mm增大至2.7mm时，在相同填充厚度的情况下，气凝胶玻璃的传热系数增加了15%。在填充颗粒粒径相同时，填充厚度越大，透明度越差，传热系数越高，且相较于相同尺寸的中空玻璃，颗粒气凝胶玻璃的传热系数最多可降低51.43%，在红外加热灯的照射下，隔热效果提高了5.1~10.2℃。

1.3.1　透明颗粒气凝胶制备

相对于整块透明气凝胶制备，透明颗粒气凝胶的制备成本和技术要求都较低，使用传统的SiO2气凝胶制备方式，TEOS、TMOS都是较好的硅源选择。由于需要制得成品为颗粒状，对力学强度要求降低，主要关注点在于提高透光度。根据相关测试，在使用TEOS、TMOS为单一硅源制备SiO2气凝胶时，用水量越低，透明度越好，制备完成后进行破碎、筛分就可以使用。

1.3.2　不同气候地区建筑用颗粒气凝胶玻璃模拟

陈友明等采用光学模型与动态传热模型，通过对双层中空玻璃模型、三层中空玻璃模型、高透型Low-E中空玻璃模型、双银型Low-E中空玻璃模型和遮阳型Low-E中空玻璃模型等的研究，提出了以太阳能效用量为指标对颗粒气凝胶玻璃的适应性进行模拟测试。结论显示，气凝胶玻璃在严寒地区（哈尔滨）、寒冷地区（北京）、温和地区（昆明）和夏热冬冷地区（长沙）都具有全年气候适用性，相较于以上5种玻璃，颗粒气凝胶玻璃在节能降耗方面表现突出，其适候性排序为严寒>寒冷>夏热冬冷>温和地区，此结论也符合整块气凝胶玻璃的适侯性规律。张燚等通过对颗粒气凝胶玻璃住宅夏季室内热环境进行研究，得出结论气凝胶玻璃作为建筑围护结构比其他建筑围护结构的建筑耗能降低了26.06%，在采光方面，虽然颗粒气凝胶玻璃无法做到视觉互动性，且可见光透射率低于中空玻璃，但其室内光线散射后柔和，无眩光，完全可以达到相关采光设计要求，见图7所示。

目前，国内外在气凝胶玻璃应用方面已有一定进展，但相对成熟的应用技术集中在欧美国家。Garnier等在意大利对一栋4m×4m×3m的房屋进行改建，将玻璃换成由两块4mm的低发射率镀膜玻璃制备的中空玻璃后，填入不同颗粒的半透明气凝胶颗粒，填充厚度为16mm，以此研究颗粒气凝胶玻璃隔音、隔热和透光性能，经测试，制备的气凝胶颗粒玻璃U值为1.4W/(m2·K)。在冬季，相较于未灌装的中空玻璃，节能效果到达50%以上，可见光透射率降低10%，室内噪音降低3dB以上。国外已有大量的建筑试验点（见图8~图9）。颗粒气凝胶玻璃在不同的建筑应用上有不同的要求，从建筑外部来看，在装饰效果极佳的同时能保证建筑耗能大大减少，从建筑内部来看，能避免眩光，虽然视觉互动效果较差，但可见光透射率完全能达到应用标准，可用于运动馆、教堂、机场等有透光保温需求的建筑上。美国底特律艺术学院就应用了气凝胶复合玻璃进行节能改造，此外还有纽约州立大学石溪分校诺贝尔大厅的CABOT气凝胶玻璃系统等。

1.3.3 气凝胶中空玻璃结构与标准

气凝胶中空玻璃，由两片玻璃中间夹填气凝胶组成，是一种基于中空玻璃又高于中空玻璃的新型建筑材料，于1977年首先由日内瓦的欧洲核研究中心研制。

气凝胶中空玻璃结构示意图

建材行业标准《气凝胶中空玻璃》JC/T 2669-2022已正式发布。

图2 JC/T 2669-2022《气凝胶中空玻璃》

该标准中给出了常见规格气凝胶中空玻璃的传热系数K值，见下图。

常见规格气凝胶中空玻璃的传热系数K值

可见，6+12Q+6气凝胶中空玻璃K值为0.9，而常见6+12A+6中空玻璃传热系数K值为2.7，前者仅为后者的1/3。

二、气凝胶玻璃的发展前景

气凝胶玻璃兼具A级防火和极佳保温性能的优势，决定了其应用的广泛性。

(1) 安全性应用

与铯钾玻璃组合。气凝胶属于不燃材料，与铯钾玻璃组合，可在日益严格的建筑节能要求的基础上，显著提高玻璃防火等级。

与夹胶玻璃组合。气凝胶本身具有优异的吸能特性，通过与夹胶玻璃的组合应用，在满足日益严格的建筑节能要求的基础上，可显著提高玻璃防弹、防爆等级。

(2) 节能性应用

气凝胶玻璃具有优异的隔热保温性能，K值与气凝胶层厚度有关；气凝胶层厚度越大，其K值越低。

(3) 室内舒适性应用

建筑采光顶。气凝胶采光玻璃应用于建筑采光顶上，室内可避免眩光现象，并获得舒适的自然光环境及采光效果。

气凝胶玻璃在建筑采光顶上的应用

玻璃幕墙。气凝胶采光玻璃通过与透明节能玻璃的组合使用，可显著减少眩光现象，并获得室内舒适的光环境以及采光效果。

(4) 美观性、智能性应用

气凝胶玻璃与陶瓷彩釉玻璃组合，在满足日益严格的建筑节能要求的基础上，可获得建筑立面的美学效果，充分满足建筑个性化要求。

气凝胶玻璃与智能化玻璃(电致变色、电加热玻璃、显示屏等)组合使用，在满足日益严格的建筑节能要求的基础上，可获得建筑立面的智能控制效果，充分满足建筑个性化要求。

三、结语与展望

目前，世界上颗粒气凝胶玻璃制备厂家集中在欧美国家。2015年，国内于长沙首次出现小规模量产。低能耗建筑用气凝胶玻璃除了极佳的节能效果外，还具有诸多优异性能，如优良的隔热性、隔音降噪性、抗风压能力、不燃阻燃能力，防结露，无冷热自爆危险，使用寿命较长等，但尚未得到进一步发展。要实现低能耗建筑用气凝胶玻璃的普及，需要着重解决以下问题：

1）相较于传统保温材料，SiO₂气凝胶的原材料、制备工艺、生产设备成本都较高，这给气凝胶玻璃的发展与普及带来了较大阻力。需要探索的有：如何采用价格低廉的硅源制备透明度较好、有一定柔性的气凝胶，如何改变干燥方式降低生产工艺成本，如何减少气凝胶产品生产周期，降低人工机械成本等。

2）国内相关标准还不够完善，导致气凝胶玻璃普及困难。气凝胶玻璃产品质量参差不齐，未来可能出现以次充好的情况，这对于一种新型建筑用材料的发展极为不利。需要相关部门、企业携手撰写相关材料检测标准和工程应用技术规范。

3）目前国内外还是以颗粒气凝胶玻璃为主，但是整块气凝胶玻璃的各项性能远远优于颗粒气凝胶玻璃，需要开发新型复合工艺或交联方法，使得SiO₂气凝胶在具有透明性的同时具有一定柔性和完整性，降低其脆性和损坏概率。在双碳和节能减排的大背景下，由于气凝胶玻璃能极大降低建筑围护结构的能量耗损，因而是零能耗建筑极为重要的一环。虽然目前国内的气凝胶玻璃尚以实验室或示范工程为主，但是气凝胶玻璃未来将会服务于社会，有着广阔的应用前景和发展空间。

本文来源：中建材科创新技术研究院（山东）有限公司、朗缪环保科技

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