建筑节能材料调研.docx
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建筑节能材料调研
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4
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.解决方案8
五.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
7.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。
8.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。
9.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（SuperCritical）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SuperCritical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
10.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。
11.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：
题目
单位
主要内容
主要参数
制备工艺
备注
含SiO2气凝胶纳米绝热材料的节能窗
上海暄洋化工材料科技有限公司
1.SiO2气凝胶纳米绝热材料由SiO2气凝胶及其与硅酸钙纤维、陶瓷微珠、玻璃纤维、硅酸镁铝的复合产物；
2.本节能窗具有产热系数小，保证采光等优点，可适用于各种天窗和玻璃幕墙工程上
1.氧化硅气凝胶纳米绝热材料厚度为10-50mm；
2.氧化硅气凝胶纳米绝热材料热导率低于0.08w/（m.K）
一种超快速制备高透明性气凝胶玻璃的方法
厦门纳美特新材料科技有限公司
1.在2小时之内完成SiO2气凝胶玻璃制备，生产效率和成品率都有挺高；
2.SiO2气凝胶可见光透过率大于76%，热导率低于0.018w/m.K
1.SiO2气凝胶可见光透过率大于76%，热导率低于0.018w/m.K
利用TEOS等硅源先驱体和乙醇等溶剂制备二氧化硅溶胶，放入超临界干燥釜中，经过快速升温、保压、快速泄压过程，制备出完整度好的气凝胶玻璃
2h溶胶凝胶，48h凝胶老化，22h干燥，总计72h
一种建筑节能玻璃
长沙星纳气凝胶有限公司
1.在两片平板玻璃之间填充透明绝热SiO2气凝胶板，制成节能玻璃；
2.与中空玻璃相比，有较高的保温性能及透光率；与真空玻璃相比，有相近的保温性能，单大大延长了使用寿命
1.SiO2气凝胶室温热导率为0.010-0.018w/（m.K）,厚度为15mm时，可见光透过率大于80%，厚度为10mm时，可见光透过率大于89%，
超临界干燥
一种节能玻璃窗
信义玻璃工程（东莞）有限公司
1.在两片平板玻璃之间的密封空腔内填充氧化硅气凝胶，使节能玻璃有更好的隔热性能；
2.节能玻璃采用单道密封，采用金属框架与胶条组成的复合胶条，并在所述胶条的周边黏结封边胶
1.SiO2气凝胶室温热导率小于0.010/（m.K）
一体化透明绝热SiO2气凝胶复合玻璃
长沙星纳气凝胶有限公司，
东莞市创一新材料科技有限公司
1.一体化透明绝热SiO2气凝胶复合玻璃，包括两块平板玻璃之间的绝热透明SiO2气凝胶及气凝胶周围的复合间隔体、密封胶
2.具有较好的隔热保温、透明和隔声性能，且工艺简单、效率高，成本低
1.SiO2气凝胶室温热导率小于0.020/（m.K），可见光透光率高于87%
利用TEOS等硅源先驱体和乙醇等溶剂制备二氧化硅溶胶，后进行超临界干燥
老化1-5天左右
一种二氧化硅气凝胶材料及其制备方法
航天特种材料及工艺技术研究所
1.提供一种透光、隔热保温、隔声的新型二氧化硅气凝胶材料及制备方法，最优可获得800×800×20mm块状氧化硅气凝胶，添加到夹层玻璃的夹层中
1.SiO2气凝胶室温热导率小于0.011/（m.K），可见光透光率为91%
利用正硅酸甲酯作为硅源先驱体和乙醇等溶剂制备二氧化硅溶胶，后在反应釜中进行超临界干燥
老化12-120h,疏水化12-120h
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。
12.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
现用
替换
原料（硅源）
正硅酸乙酯
水玻璃
干燥方式
超临界干燥
常压干燥
存在问题
氧化硅气凝胶成本过高
制备时含有大量的水，容积交换消耗能源，难拥有超疏水性能，操作性变复杂
解决方法
采用廉价的水玻璃作为硅源，常压干燥制备氧化硅气凝胶
用成本低且安全的六甲基二硅醚和盐酸等混合液进行表面改性，使之疏水。
五.国内外文献汇总
13.国内专利
序号
题目
单位
发明人
申请日
主要内容
备注
1
含SiO2气凝胶纳米绝热材料的节能窗
上海暄洋化工材料科技有限公司
汪庆锋汪培庆等
2007.12.27
1.SiO2气凝胶纳米绝热材料由SiO2气凝胶及其与硅酸钙纤维、陶瓷微珠、玻璃纤维、硅酸镁铝的复合产物；
2.本节能窗具有产热系数小，保证采光等优点，可适用于各种天窗和玻璃幕墙工程上
2
一种超快速制备高透明性气凝胶玻璃的方法
厦门纳美特新材料科技有限公司
余煜玺，赖德林等
2012.10.17
1.在2小时之内完成SiO2气凝胶玻璃制备，生产效率和成品率都有挺高；
2.SiO2气凝胶可见光透过率大于76%，热导率低于0.018w/m.K
有机硅源，超临界干燥
3
一种建筑节能玻璃
长沙星纳气凝胶有限公司
卢斌，卢孟磊
2012.6.5
1.在两片平板玻璃之间填充透明绝热SiO2气凝胶板，制成节能玻璃；
2.与中空玻璃相比，有较高的保温性能及透光率；与真空玻璃相比，有相近的保温性能，单大大延长了使用寿命
超临界干燥
4
一种节能玻璃窗
信义玻璃工程（东莞）有限公司
董清世，辛崇飞
2009.3.20
1.在两片平板玻璃之间的密封空腔内填充氧化硅气凝胶，使节能玻璃有更好的隔热性能；
2.节能玻璃采用单道密封，采用金属框架与胶条组成的复合胶条，并在所述胶条的周边黏结封边胶
5
一体化透明绝热SiO2气凝胶复合玻璃
长沙星纳气凝胶有限公司，
东莞市创一新材料科技有限公司
卢斌，卢孟磊
2011.2.25
1.一体化透明绝热SiO2气凝胶复合玻璃，包括两块平板玻璃之间的绝热透明SiO2气凝胶及气凝胶周围的复合间隔体、密封胶
2.具有较好的隔热保温、透明和隔声性能，且工艺简单、效率高，成本低
有机硅源，超临界干燥
6
一种二氧化硅气凝胶材料及其制备方法
航天特种材料及工艺技术研究所
金兆国，詹万初等
2011.11.25
1.提供一种透光、隔热保温、隔声的新型二氧化硅气凝胶材料及制备方法，最优可获得800×800×20mm块状氧化硅气凝胶，添加到夹层玻璃的夹层中
有机硅源，超临界干燥
14.国外专利
序号
题目
单位
发明人
申请日
主要内容
1
Integratedandtransparentheatinsulationsilicaaerogelcompositeglasscomprisestwosheetsofplateglass,atransparentheatinsulatingsilicaaerogellocatedbetweentwosheetsofplateglassandacompositespaceraroundtheaerogel
CHANGSHAXINGNAAEROGELCOLTD
LUB,LUM
2011.11.14
1.Theapertureofsilicaaerogelis5-20nm,theporosityisabove93%,thepenetrationrateofthevisuallightishigherthan97%andtheheatconductivityislessthan0.020W/m2k.；
2.Theplateglassis3-15mminthickness.Thespacebetweentwosheetsofplateglassis3-20nm.Thesealantistwo-componentsiliconesealantortwo-componentpolysulfidesealant.
2
Bodyforuseastransparentpanel,ismadeofsilicaaerogelmaterial,wherecontainmentmaterialsurroundsbody,andisselectedfromgroupconsistingoftransparentmaterials,plasticsheetsandglasssheets
AIRGLASSAB
GULLBERGL
2009.1.8
1.Inthebody,thewavelengthshifterismixedinthesilicaaerogelmaterial.Thebodyisevacuatedandsuper-insulatingandhasathermalconductivitylambda,whichis0.007W/（mxK）orless.
2.Inthebody,anencasingmaterialsurroundsthebody.Theencasingmaterialistransparentmaterials,plasticfoils,glasspanelsorplasticsheets.
15.学位论文
序号
题目
单位
作者
日期
备注
1
《用水玻璃制备高质量纳米多孔材料的研究》
同济大学
波耳固体物理研究所
王际超
倪星元
2007全国无机硅化物行业年会论文集
水玻璃
常压干燥
2
《常压干燥制备低密度、高性能介孔硅气凝胶的研究》
长安大学
毕伟涛
2010.6.9
水玻璃
常压低温干燥
3.
《以工业水玻璃为原料制备纳米孔SiO2气凝胶块体材料》
北京科技大学
倪文
梁涛
《河南化工》2007年第24卷
水玻璃为为硅源，采用三甲基氯硅烷溶液对二氧化硅水凝胶进行表面改性处理，使水凝胶的溶剂交换和表面改性在一步同时完成
4.
《硅溶胶制备纳米孔硅气凝胶的研究》
长安大学
王阳军
2008.5
以廉价的硅溶胶为硅源，常压干燥制备SiO2气凝胶的技术。
5.
《以工业水玻璃为硅源常压干燥制备SiO2气凝胶》
长安大学材料科学与工程学院
耿刚强
康爽
2013．4
以工业级水玻璃为硅源，水为反应物及溶剂，经酸碱两步催化，在４５℃常压干燥制备了SiO2气凝胶
6.
《SiO2气凝胶性能研究及其在建筑保温中的应用》
固废资源化利用与节能建材国家重点试验室
路国忠
何光明
2013．2
以水玻璃为原料，采用常压干燥工艺制备的SiO2气凝胶产品具有较好的性价比
7.
《水玻璃为源的超疏水型SiO2气凝胶块体制备与表征》
同济大学物理系，上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室
刘光武
周斌
2012.1
采用廉价的水玻璃为硅源，通过乙醇溶剂替换及六甲基二硅醚和盐酸混合液对湿凝胶的表面基团改性，常压干燥出疏水介孔的SiO2气凝胶块体。
制得的SiO2气凝胶块体具有超疏水性。
8.
《工业水玻璃制备疏水性SiO2气凝胶》
深圳大学化学与化工学院
浙江大学材料科学与工程学系
王芳
李瑞菲
《材料导报》2011年06期
水玻璃为硅源,稀H2SO4为催化剂,三甲基氯硅烷为表面改性剂,无水乙醇和正己烷为溶剂,在常温常压下通过两步法成功地制备出轻质疏水性SiO2气凝胶
9.
《常压干燥制备SiO2气凝胶的研究》
北京科技大学材料科学与工程学院
吕鹏鹏
赵海雷
2012第4期
以水玻璃为硅源，采用常压干燥制备了SiO2气凝胶
10.
《以水玻璃为源常压制备高保温二氧化硅气凝胶》
同济大学物理系波耳固体物理研究所,上海市人工微结构材料与技术重点实验室
沈军
王际超
2009.1
以低成本工业级水玻璃为硅源,水为反应物及溶剂,在无需复杂的树脂交换和水洗条件下,分别采，用HF一步快速催化法和HNO3-NaOH酸碱两步催化法,通过溶胶-凝胶技术制备出二氧化硅水凝胶
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