现代化工进展论文
本文由丛龙刚贡献
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对 SiO2 气凝胶-硬硅钙石型硅酸钙复合纳米孔超级绝 热材料的认识
丛轮刚 （贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳） 摘要：SiO2气凝胶是轻质纳米非晶态多孔材料，其韧性差、强度低，很难制成单独块状隔热 材料；超轻硬硅钙石型硅酸钙保温材料具有硬质、耐压、强度高、不老化等特点，但由于微 米孔结构使之难以达到超级绝热的效果。 由二者复合而成的硬硅钙石—SiO2气凝胶复合纳米 孔超级绝热材料，既具有足够的强度和耐温性，又具有低于“无对流空气”的导热系数，能实 现超级绝热目的。 关键词：硬硅钙石、超级绝热材料、SiO2气凝胶
The reserach on silica aerogel-calcium silicate composite nano-hole super heat insulation materials of xonotlite type
CONG lungang （School of Chemical Engineering ,Guizhou University,Guiyang,Guizhou） ）
Abstract：Silica aerogel is amorphous polyporous light nano-materials.it is hard to made into single lumpish heat shield material because of his low toughness and strength.although calcium silicate insulating materials of super-light xonotlite type have many advantages such as hardness,high strength,anti ageing and so on.but its micrometer hole structure make it hard to reach the effect of super heat insulation.xonotlite-silica aerogel composite materials of nano-hole and super heat insulation has enough strengh , heat-resisting property and thermal conductivity below "still air" ,which can make super heat resistance come ture. Keywords：Xonotlite、super thermal insulation material、SiO2 - Aerogel
1 概述
现代工业和现在科学技术的飞速发展， 传统绝热材料已经不能满足民用高效 节能以及一些高尖端军用装备上，迫切需求开发研究耐高温，高效的新型绝热材
料。美国学者Hunt A J等在1992年的国际材料工程大会上提出了超级绝热(Super insulation)材料的概念。此后，很多学者都陆续使用了超级绝热材料的概念。一 般认为超级绝热材料是指在预定的使用条件下，其导热系数低于“无对流空气” 导热系数的绝热材料。根据其特点超级绝热材料一般是纳米孔超级绝热材料， 最典型的纳米孔超级绝热材料就是气凝胶。 [1]
2 当前国内外超级绝热材料发展情况
国内外报道的所有纳米孔绝热材料均是以SiO2气凝胶作为纳米孔的载体。 但是所有的超轻气凝胶都有强度低、韧性差的缺点，不能作为单独的块体材料用 于保温工程， 因此国内外所制成的具有实用价值的纳米孔绝热材料都要采用各种 办法对SiO2 气凝胶进行增强、增韧。[2]一般所采用的材料有玻璃纤维、岩棉、 硅酸铝纤维、
高岭土、蒙脱土等作为增强材料。复合纳米孔绝热材料一般有两种 制备方法：一种是在凝胶过程前加入增强或增韧材料；另一种是先制成纳米孔气 凝胶的颗粒和粉料，然后再掺入增强纤维和粘结剂，经模压或浇注成型制成二次 成型的复合体。 日本是世界上超轻硅酸钙绝热材料产量最大、技术最先进的国家，密度在 110Kg/m3， 的硬硅钙石型硅酸钙制品已能批量生产。 这些制品除了用于高温炉窑 之外，还用于船上冷库、冷藏运输车上作为保冷材料。在硬硅钙石型硅酸钙绝热 材料的研究方面，我国是世界上最活跃的国家之一。我国已能生产密度在 170-260Kg/m3的硬硅钙石型硅酸钙绝热材料。 硅酸钙绝热材料生产中的原料主要 是硅质原料和钙质原料。可作为硅质原料的有：石英砂、硅灰、膨润土及稻壳灰 等；可作为钙质原料的有：生石灰、消石灰等。制备超轻硬硅钙石制品首先要合 成出中空大直径的硬硅钙石二次粒子。[3]
3 SiO2气凝胶和超轻硬质硅酸钙以及其存在的缺点
3.1
SiO2气凝胶
SiO2 气凝胶(acrogels) 是一种新型的轻质纳米多孔非晶固态材料， 其孔洞率
高达80 %～99. 8 %，孔洞的典型尺寸为1～100 nm，比表面积高达100～1 000 m2/g ，而密度变化可达3～500Kg/m3，具有低折射率、杨氏模量小、声阻抗低、
导热系数低以及吸附性能强等优点，而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100 以上。[1] SiO2气凝胶的制备通常包括溶胶—凝胶过程和超临界干燥两个步骤。陈 龙武[3]等通过TEOS的两步水解缩聚,并配合乙醇溶剂替换和TEOS乙醇溶液浸泡、 老化， 在表面张力比水小得多的乙醇分级干燥下实现了块状气凝胶的非超临界干 燥制备。目前普遍采用正硅酸乙脂(TEOS)或正硅酸甲酯(TMOS作为制备SiO2气 凝胶的主要原料，使之与水、甲醇或乙醇及适当的催化剂(盐酸或氨水)发生水解 反应，有机硅的烷基被逐步水解成羟基，进而发生缩聚反应得到醇凝胶。但是由 于其韧性差、强度低，很难制成单独块状隔热材料，这在一定程度上影响了二氧 化硅气凝胶的应用范围。 3.2 硬硅钙石型硅酸钙绝热材料 硬硅钙石型硅酸钙绝热材料 型硅酸钙 超轻硬硅钙石型硅酸钙绝热材料，是众多绝热材料中性能最佳的品种之一。 其导热系数常温下为0.045W/m·k，800℃（平均温度）为0.12W/m·k，抗折强度 ≥0.29MPa，抗压强度≥0.4MPa，最高使用温度为1000℃，主要用于一般超轻质保 温材料不能承受的高温窑炉及管道的保温工程。[4]该材料为硬质块状，可制成各 种厚度的平板及弧板或管壳，施工方便，无污染。与纤维质保温材料相比，超轻 硬硅钙石型硅酸钙保温材料具有硬质、耐
压、比强度高、不老化等特点。但是该 材料由于其微米孔结构使之难以达到超级绝热的效果。
3 SiO2气凝胶-硬硅钙石型复合纳米孔超级绝热材料
采用真空浸渍技术可以使SiO2气凝胶和硬硅钙石型硅酸钙很好的复合。 以硬 硅钙石作为增强骨架材料， 把二氧化硅气凝胶填充于硬质硅钙石孔隙内复合制备 硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料，既能克服二氧化硅气凝胶强度差的缺点，又能 解决硬硅钙石导热率偏高的问题。 硬硅钙石型硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料中硬硅钙石二次粒子起硬质支 撑的增强效应，从而使复合后材料强度增大，使SiO2气凝胶作为保温隔热材料利 用得以可能。硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料的主晶相依然为硬硅钙石。硬硅钙 石一般呈针状或纤维状，随着原料和反应条件的不同，纤维的直径可以从几μm 到小于100 nm。硬硅钙石硅酸钙保温材料就是由这些纤维互相交生、连生、缠绕 形成的具有空心球状结构的中空二次粒子紧密堆积而成的, 二次粒子的直径一 般为十几到几十个μm。这种特殊的材料结构使得硬硅钙石型硅酸钙保温材料具
有密度小、强度高、导热系数低和化学稳定性好等特性。[5]一般情况下单位体积 质量相同时，硬硅钙石纤维晶体的直径越细，内部孔隙尺寸就越小，其导热系数 就越低，制品的强度也就越高。硬硅钙石型硅酸钙保温材料中二次粒子内部及其 紧密堆积形成的孔隙基本上是微米级的，如果使这些孔隙小到纳米级(小于 50nm)，就会产生“零对流”“无穷多遮热板”“无穷长路径”等纳米效应，使 、 、 材料热传递的能力下降到接近最低极限[6]。由此，我们将载有纳米级气孔的SiO2 气凝胶与硬硅钙石型硅酸钙复合形成连续固相吗， 制成一种硬硅钙石—SiO2气凝 胶复合纳米孔超级绝热材料， 让SiO2气凝胶填充于硬硅钙石型硅酸钙保温材料中 的微米级孔隙，使之转变成纳米级孔隙，使材料既具有足够的强度和耐温性，又 具有低于 “无对流空气” 的导热系数， 实现超级绝热的效果。 从而实现了块状SiO2 气凝胶的独立使用。
4 应用及前景
( 1 ) 太阳能热水器 应用在民用领域,太阳能热水器及其他集热装置的高效保
温成了能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高其实用性的关键 因素。将纳米孔超级绝热材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器,将比现有 太阳能热水器的集热效率提高1倍以上,而热损失下降到现有水平的30%以下。 （2）热电池上的应用 池周围的元器件。 （3）军事 及航 天领 域 与传统绝热材料相比,超级绝热材料可以用更轻的 可延长热电池的工作寿命,防止生
成的热影响热电
质量、更小的体积达到等效的隔热效果。这一特点使其在航空、航天应用领域具 有举足轻重的优势。 如果用作航空发动机的隔热材料， 既起到了极好的隔热作用， 又减轻了发动机的重量。 作为外太空探险工具和交通工具上的超级绝热材料也有 很好的应用前景。 （4）工业及建筑绝热领域 在工业及民用领域纳米孔超级绝热材料有着广
泛和极具潜力的应用价值。首先,在电力、石化、化工、冶金、建材行业以及其 他工业领域,热工设备普遍存在。工业节能中，纳米孔超级绝热材料也起着非常 重要的作用，其中有些特殊的部位和环境，由于受重量、体积或空间的限制，急 需高效的超级绝热材料。[7] 纳米孔超绝热材料已经从理论扩展到实用， 是随着世界整体纳米技术的发展
而形成的新观念、新技术、新产品。其技术的不断成熟和生产成本的下降将带来 绝热材料与绝热工程领域的一场革命。
参考文献
[1]刘涛，王慧等，SiO2 纳米孔超级绝热材料的研究现状[J]，陶瓷，2007。 [2]井强山，刘朋,纳米孔超级绝热材料硅气凝胶制备与改性，许昌学院学报，2004。 [3]陈淑祥，倪文等，超轻硬硅钙石型硅酸钙绝热材料制备技术国内外研究现状[J]，保温材 料与建筑节能,2003。 [3]陈龙武,甘礼华,候秀红，SiO2 气凝胶的非超临界干燥法制备及其形成过程[J ]，物理化学 学报，2003。 [4]倪文，硅钙石型硅酸钙保温材料的特点与发展趋势，新材料产业，2002年第11期。 [5]徐国强，倪文，梁涛，硬硅钙石- SiO2 气凝胶复合纳米孔超级绝热材料在钢结构防火中 的应用探讨[J]，露天采矿技术，2007年第2期。 [6]曾令可，曹建新， 硬硅钙石- SiO2 复合纳米孔超级绝热材料[ J]，陶瓷学报，2004。 [7]董文辉，SiO2纳米孔超级绝热材料，中国非金属矿工业导刊[J]，2006年第二期。
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