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二氧化硅气凝胶材料在应用中存在的问题及解决途径

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目前,二氧化硅气凝胶在建筑领域大规模推广使用过程中尚存在一些问题亟须解决。

1 成本问题 

二氧化硅气凝胶作为一种前沿新材料,其技术门槛高,研发投入和产业化设备投入巨大,加之产业化规模较小,导致其成本居高不下。建筑领域对气凝胶材料需求巨大,目前高昂的造价成为限制气凝胶材料在建筑领域大规模推广使用的主要因素。

气凝胶的制备主要有超临界和常压两种工艺。超临界工艺存在一次性设备投资大,设备要求高,高压操作危险等缺点,常压工艺是一种趋势。相比于超临界制备工艺,常压干燥工艺可以采用价格低廉的水玻璃作为原料,无需特种压力设备,生产安全性高,但也存在生产周期长、干燥效率低等问题。

针对这些问题,应集中力量进行相关技术攻关,加强气凝胶生产设备改进和优化,提高干燥效率。只有突破常压工艺的这些技术瓶颈,才有望实现连续化的低成本气凝胶材料生产,才能使气凝胶材料在建筑领域大规模推广。  
2 强度问题 
纯气凝胶材料具有强度低、脆性大的缺点,不能直接应用。国内外对于气凝胶建筑材料进行着不断地深入研究,试图对气凝胶材料进行改性以克服其存在的不足。科研工作者通过将气凝胶与其他材料复合,制造出了既具有优良绝热性能又具有一定强度的气凝胶复合材料。

例如,以无机、有机纤维作为基材,通过在气凝胶的制备过程中加入不同基材,制备出气凝胶玻璃纤维毡、气凝胶陶瓷纤维毡、气凝胶预氧丝纤维毡等;

将气凝胶毡与硅酸钙板或石膏板复合,制备得到纳米气凝胶复合绝热板;通过在高分子材料的造粒过程中加入气凝胶,制备得到含有气凝胶的母粒,从而得到保暖性能优异且轻质的气凝胶布料;将气凝胶与各种成膜剂结合,制备出各种具有不同性能的纳米功能涂料。相比于纯气凝胶,尽管其他材料的加入降低了气凝胶材料的隔热保温性能,但其力学性能却得到了显著提升,有利于其大规模推广使用。随着气凝胶制备和使用技术的日渐成熟,产品生产规模的不断扩大,以及国家产业化政策的引导和扶持,SiO2气凝胶在建筑隔热工程领域将得到广泛应用。 
3 产品体系构建问题 

目前市售的气凝胶保温隔热产品主要为气凝胶玻璃、气凝胶毡、气凝胶涂料、气凝胶卷材、气凝胶膏料、气凝胶板材,产品种类单一,尚未形成体系,而且其应用施工工艺具有明显的限制。

通过对气凝胶复合材料性能改进,进一步拓展气凝胶在绿色建筑领域的应用形式,形成成熟且完善的产品体系,建立相关的产品标准,是气凝胶复合材料在低碳建筑领域应用的必然趋势。  
4 标准问题 

随着建筑节能要求的不断提高,超低能耗建筑、近零能耗建筑的逐步推广,对保温材料的功能耐久、安全构造等提出更高要求,现有国家行业标准JGJ 144-2019《外墙外保温工程技术规程》已不能满足国家强制性标准(GB 55015-2021)的要求。

为了落实国家节能减排政策,实现碳达峰碳中和目标,有必要将二氧化硅气凝胶材料纳入新的标准,并制定相关技术标准来规范建筑隔热系统的设计、施工和验收。 

近年来,为了响应国家碳中和碳达峰要求,各级政府出台了许多推动新材料、新技术和低碳建筑发展的政策和方针。

中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》均提出要推动气凝胶等新型材料研发应用。

中共中央、国务院印发《关于推动城乡建设绿色发展的意见》提出大力推广超低能耗、近零能耗建筑,发展零碳建筑。

2021年9月22日,政府发布的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中指出:推动气凝胶等新型材料研发应用,大力发展节能建筑,全面推广绿色低碳建材。

国家发改委发布《国家重点节能低碳技术推广目录》(2019年)和2020年工信部发布《国家工业节能技术装备推荐目录(2020)》将气凝胶材料列入节能技术及应用目录。虽然气凝胶在建筑领域应用还存在一些问题,但从国家政策、方针来看,将气凝胶材料应用于建筑节能领域势在必行。在各大高校、科研院所和企业的共同努力下,这些问题终将得到解决。气凝胶材料终将在低碳建筑领域大规模使用,为国家碳达峰碳中和目标的实现作出应有贡献。 

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