1、常用建筑保温隔热材料的分类及发展
建筑保温隔热材料种类繁多, 根据保温隔热材料在围护结构的使用部位不同, 可分为内、外保温隔热材料; 根据保温隔热材料的形态可分为板块状和浆体状保温隔热材料; 根据保温隔热材料的材质可分为有机和无机保温隔热材料等。其中, 矿物棉（看图1-1）、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等较为常用的建筑隔热保温材料。
图1-1
1840年英国首先把溶化的矿渣喷吹后形成纤维生产出矿渣棉, 并用作建筑保温隔热, 至今已有170余年的历史。国内的矿物棉研制和生产始于1958年, 而1978年北京新材总厂从瑞典容格公司引进年产1.63万吨岩棉生产线, 揭开了国内矿物棉工业生产的序幕。90年代由于建筑节能和墙改工作的推进, 矿物棉应用越来越普及。矿物棉是一种优良的保温隔热材料, 按照所用原料的不同, 分为岩棉和矿渣棉两种。矿物棉及其制品在建筑和其他工业上的应用, 以其优良的保温隔热和显著的经济效益引起人们关注。除矿物棉类材料的保温隔热性能外, 岩棉类材料还具有防火特性, 矿物棉具有很好的吸声和隔振效果, 因此矿物棉类材料广泛用于早期的工业和建筑保温隔热。但矿物棉类材料不同程度地含有沥青、胶或其它有机物,容易产生有害物质而污染环境, 而且矿物棉材料强度低, 作为维护结构的保温隔热层时易塌陷, 而且生产加工工艺复杂, 逐渐被其它材料所替代。
1.2膨胀珍珠岩保温隔热材料
图1-2
作为保温隔热材料的珍珠岩（见图1-2珍珠岩屋面隔热保温板），工业性生产始于1946年美国的亚利桑那, 我国的膨胀珍珠岩则在60年代末由大连耐火材料厂开始生产。膨胀珍珠岩是一种天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产, 包括珍珠岩、松脂岩和黑曜岩, 三者只是结晶水含量不同。由于在1000~1300度高温条件下其体积迅速膨胀4~ 30倍, 故统称为膨胀珍珠岩。常温导热系数0.024 5 ~ 0.048 W / ( m·K ), 高温导热系数0.058~ 0.175 W / ( m· K ) , 低温导热系数0.028 ~0.038W / ( m· K ), 最高使用温度800度。用作高效保温、保冷填充材料。膨胀珍珠岩材料的容重小、导热系数低, 耐火和隔音性能好, 而且无毒, 它是一种价廉的保温材料,主要用作建筑保温抹灰料、轻质砼骨料、墙体松散保温填料、制造纤维增强砼板、保温地板以及石膏珍珠岩砼整体屋面板、板材等。但膨胀珍珠岩具有很强的亲水性, 由于水的导热系数远高于膨胀珍珠岩材料, 吸水后会导致其保温隔热性能急剧下降; 同时膨胀珍珠岩为无机多孔物质, 易破碎, 在运输过程可能由于挤压或撞击而造成破碎, 使其密度增加而导致保温性能下降。因此在保温隔热应用时需要对膨胀珍珠岩进行疏水和增强处理。
1.3 泡沫塑料保温隔热材料
图1-3
泡沫塑料（见图1-3: 泡沫塑料保温隔热材料）作为一种重要的有机保温隔热材料,主要有聚苯乙烯和聚氨酯泡沫塑料两种。聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料均在本世纪30年代问世, 我国聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料的生产则分别始于50年代末和60年代。其中聚苯乙烯泡沫塑料是目前使用最为普遍的一种保温隔热材料, 具有保温隔热性能好、质轻、吸声等特性, 尤其适合寒冷地区的保温。当用聚苯乙烯泡沫板作为保温层、用聚合物砂浆作为面层时, 应该使用玻璃纤维网络布或钢丝网作为外保温层的加强材料, 但这样容易导致热桥产生且保温墙面容易产生裂缝, 控制保温墙面产生裂缝, 通常选用耐碱玻璃纤维网格布,且在保温层上先用弹性水泥砂浆抹3~ 5 mm 厚, 然后将网格布用铁抹子及时压砂浆之中; 又因为聚苯乙烯泡沫塑料用作外墙保温时需要用特殊粘结剂和耦合剂将板材粘结在外墙上, 再经过若干道工序处理, 施工十分复杂。而且有机材料与砖墙结合较为困难, 施工中稍有疏忽就会造成空鼓、脱落而带来事故隐患。另外泡沫塑料制品抗老化能力差, 使用寿命在20年左右, 废弃材料不能降解而造成白色污染。表1-1对矿物棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等几种常用保温隔热材料的性能进行了对比。需要注意的是, 由于水的导热系数远高于多孔的保温隔热材料,保温隔热材料吸湿后导热系数会急剧升高而导致其保温隔热性能的下降。因此, 吸湿性能对保温隔热效果影响很大, 在保温隔热应用时应注意防潮或者预先对保温隔热材料进行疏水处理。
表1-1: 几种常用保温隔热材料的性能对比
2、新型纳米气凝胶保温隔热材料的研究与发展
随着纳米技术的飞速发展, 气凝胶作为一种新型的轻质纳米多孔性固态材料越来越引起人们的重视。它被认为是目前质量最轻、隔热性能最好的固态材料, 常温下热导率可低至0.013W /m·K,孔隙率可高达99%, 比表面积高达1000m2 /g, 密度可低至0.003 g /cm3, 同时还具有良好的吸声和减震等性能, 具有其他隔热材料不可比拟的优越性。对于气凝胶等高孔隙率多孔材料, 其传热过程包含三种传热机理: 通过气凝胶固体骨架和内部孔隙的热传导、对流传热和辐射传热。气凝胶的网络胶体颗粒尺寸为3~ 20 nm, 孔径小于空气分子的平均自由程( 50~ 60 nm ), 因而在气凝胶孔内没有空气对流; 而且气凝胶具有极高的孔隙率, 固体所占体积比很低, 导热系数; 同时气凝胶的多孔网络结构对热辐射具有#无穷隔热板效应, 对热辐射的遮挡效率很高, 这使得气凝胶成为目前世界上热导率最低的固体材料, 是一种具有良好保温隔热性能和广阔应用前景的新型材料。气凝胶材料具有非常高的孔隙率和多孔网络结构, 但其强度低韧性差,制约了其在工程中的广泛应用, 对于气凝胶的增强和增韧处理成为极需解决的问题。异氰酸酯对二氧化硅气凝胶进行了修饰, 修饰后气凝胶强度是纯二氧化硅气凝胶的100倍。碳纳米管作为添加物来改善二氧化硅气凝胶本身的脆性,研究发现碳纳米管在二氧化硅气凝胶中可起到骨架的支撑和桥联作用,在一定程度上改善了气凝胶的韧性。将短切莫来石纤维渗入二氧化硅凝胶网络, 发现掺入3% 的莫来石纤维, 可有效提高气凝胶的弹性模量和机械强度。
图2-1: 气凝胶保温隔热材料
3、气凝胶保温隔热材料在建筑中的应用
由于前期气凝胶的生产工艺较为复杂, 造价偏高, 气凝胶的应用还限于航空航天等高端领域, 但随着气凝胶研究的深入和制备技术的发展, 目前也逐渐开始应用于建筑保温隔热领域。由于气凝胶具有优越的保温隔热性能和吸声减震等特性, 用作保温隔热材料在建筑节能领域具有很好的发展和应用潜力, 如气凝胶节能窗、气凝胶新型板材和屋面太阳能集热器。
3.1 气凝胶节能窗
气凝胶是目前隔热性能最好的固态材料, 因此被广泛应用于特殊的窗口隔热体系。硅气凝胶制备的双层隔热窗热导率低于0.002W /m·k, 用该材料制得的特种玻璃, 其保温性能是同样厚度普通泡沫塑料的4 倍。2000年俄罗斯一家公司开发出一种从外观和透明度看都与普通玻璃相似的新型气凝胶玻璃, 由于它耐热性极高, 阻燃,抗放射性辐射, 还可以调色和吸音, 广泛应用于建筑材料领域。用于屋面绝热的新型建筑用气凝胶玻璃, 这种材料不但满足绝热性能的求,也满足光学性能的要求。另外, 由于气凝胶能有效地透过太阳光, 并阻止环境温度的红外辐射, 因此是一种理想的绝热透明太阳能采暖材料。加之气凝胶有足够的抗压强度,能平衡外界气压, 把它作为双层玻璃中填充的保温材料, 制备出气凝胶节能窗, 由于透光性且隔热,得到广泛应用。丹麦的
Jensen 等人在玻璃中间充入15mm 的硅气凝胶使中心的热损失系数小于0.7W /m2·K,透光率达76% 。
3.2气凝胶新型板材
图 3-2: 气凝胶新型板材
气凝胶新型板材是一种透光率为20%，传热系数仅为0.05w/m2·k的新型板材，该板材是以Nanogel材料为填充内核的复合结构夹芯板，称Nanogei夹芯板，该公司制作的新型屋顶天窗系统，在加强透光性的同时，并没有在其隔热层内产生通风效应，同时也不会损失热量。
3.3屋面太阳能集热器
图3-3: 屋面太阳能集热器
把气凝胶用于太阳能集热器的储水箱、管道和集热器, 可使其集热效率比传统太阳
能集热器提高一倍以上, 且热损失下降30% 左右。气凝胶用于荧光太阳能集热器具有塑性材料无法比拟的优点, 如气凝胶具有良好的热稳定性和光学稳定性及紫外线可见区良好的透光性。
4、隔热保温涂料
具有隔热保温性能的涂料叫隔热保温涂料。隔热是通过对温度波动的衰减和延迟而达到，保温由热阻来实现。按照隔热保温机理，可将隔热保温涂料分为阻隔性隔热保温涂料、反射隔热涂料及辐射隔热保温涂料 3 类。
4.1阻隔性隔热保温涂料
阻隔性隔热保温涂料是通过低导热系数和高热阻来实现隔热保温的一种涂料。应用最广泛的阻隔性隔热保温涂料是复合硅酸盐隔热保温涂料。这类涂料是 20 世纪 80 年代末发展起来的，有不同的产品名称，如复合硅酸镁铝隔热涂料、稀土保温涂料、涂覆型复合硅酸盐隔热涂料等。它是由无机和（或）有机粘结剂、隔热骨料（如海泡石、蛭石、珍珠岩粉等）和引气剂等制成的保温涂料。复合硅酸盐隔热保温涂料虽然导热系数较低，成本也低，但干燥周期长，抗冲击能力弱，干燥收缩大，吸湿率大，粘结强度低、装饰效果较差等。这类涂料目前主要用于铸造模具、油罐和管道等的隔热。这种涂料目前还不能用于外墙外保温。将来通过改性，预期可用于外墙外保温系统。
4.2 辐射隔热保温涂料
辐射隔热涂料是通过辐射的形式把建筑物吸收的太阳能以长波形式发射到空气中，从而达到隔热降温的效果。作为外墙涂料，需高发射率。有机涂料的发射率一般在0.80~0.90，外墙辐射隔热涂料的关键是制备具有高热发射率的涂料。美国 ASTM C 1483
— 04 《建筑外用太阳能辐射控制涂料标准规程》规定，太阳能辐射控制涂料在环境温度下的红外发射率应至少为 80% 。辐射隔热涂料能够以热发射的形式将吸收的热量辐射出去，从而使室内降温，到隔热效果。用于夏热冬暖地区和夏热冬冷地区的隔热，它是不错的选择。与外墙外保温结合使用效果更佳。作为内墙涂料，常温下低发射率有利于提高舒适度和节能。好多人知道 low E 玻璃能提高舒适度和节能，但很少有人知道low E 内墙涂料能提高舒适度和节能。
4.3 隔热保温涂料
纳米隔热保温涂料是以合成树脂乳液为基料，引进反射率高、热阻大的纳米级反射隔热材料，如中空陶瓷粉末、氧化钇等而制成的隔热保温涂料，具有较好的发展前景。纳米隔热保温涂料是建立在低密度和超级细孔（小于50nm）结构基础上，其导热系数低而反射率高。真空状态使分子传导传热和对流传热完全消失。因此采用真空填料以制备性能优良的保温涂料成为当前研究的热点之一。美国将采用太空科技的 ASTEC 陶瓷绝热涂料用于建筑中，施以薄层即可达到隔热保温效果。研制生产复合型多功能隔热保温涂料。一种隔热保温效果良好的涂料往往是两种或多种隔热保温机理协同作用的结果，各种隔热保温涂料各有其特点，可进行复合，达到优势互补，研制出性能优良的复合型隔热保温涂料。将不同的隔热保温涂料和保温材料组合，制成既隔热又保温的外墙外保温系统，或制成以隔热为主的外墙外保温系统，以满足夏热冬冷地区和夏热冬暖地区等的建筑节能需要。这也是外墙外保温的发展趋势。
5、结论
建筑中常用隔热保温材料由于在防水性或防火性方面的缺陷,限制了其进一步的发展和应用。随着纳米技术的不断发展, 气凝胶以其超级隔热和保温性能及良好的疏水特性引起了广泛的重视, 成为保温隔热材料的研究热点, 尽管目前由于气凝胶的成本较高限制了其保温隔热应用, 但可以预见随着气凝胶制备技术的进一步发展和气凝胶保温隔热材料经济性的提高, 气凝胶保温隔热材料必将获得广泛的应用, 为节能降耗减排和社会可持续发展发挥更大的作用。
致谢
本论文是在老师的悉心教诲指导下完成的，在整个毕业论文撰写过程中，得到了导师的认真指导和帮助，导师的严谨学风和渊博学识使本人受益匪浅，在此表示诚挚的敬意和由衷的感谢。同时要感谢院领导和老师给我们提供了良好的环境和热心指导。
感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位领导和老师，我的论文错误、漏洞一定不少，望各位老师不吝赐教。
参考文献
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