氣凝膠中空玻璃研究與應用

氣凝膠中空玻璃是一種以氣凝膠為主要原料的新型建筑材料,具有節能、安全、舒適等特點(diǎn)。本文主要介紹了氣凝膠玻璃的發(fā)展現狀、存在問(wèn)題以及發(fā)展前景。


1、氣凝膠vs氣凝膠中空玻璃

氣凝膠,又被稱(chēng)為“固態(tài)煙”或“凍煙”,是目前已知最輕固體材料。

氣凝膠具有三維網(wǎng)狀微觀(guān)結構,使其具有低密度、低導熱系數、高比表面積、高聲阻抗等特有性能,從而在隔熱、隔音、儲氫、催化等領(lǐng)域有很好的應用前景。

氣凝膠的制備一般包括三個(gè)階段:濕凝膠制備,濕凝膠老化,濕凝膠干燥。

氣凝膠中空玻璃,由兩片玻璃中間夾填氣凝膠組成,是一種基于中空玻璃又高于中空玻璃的新型建筑材料,于1977年首先由日內瓦的歐洲核研究中心研制。

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圖1 氣凝膠中空玻璃結構示意圖

氣凝膠玻璃制品目前在高科技領(lǐng)域得到了廣泛應用:用做航天、航海的窺視窗,代替汽車(chē)的鋼化玻璃,在原子能和激光領(lǐng)域作為可透過(guò)各種射線(xiàn)的結構材料,做精密光學(xué)儀器的光學(xué)元件等。

氣凝膠玻璃以其超級絕熱性能、良好透光性及消音降噪等特性,在建筑節能領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展和應用前景。

建材行業(yè)標準《氣凝膠中空玻璃》JC/T 2669-2022已正式發(fā)布,見(jiàn)圖2。

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圖2 JC/T 2669-2022《氣凝膠中空玻璃》


該標準中給出了常見(jiàn)規格氣凝膠中空玻璃的傳熱系數K值,見(jiàn)圖3。


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圖3 常見(jiàn)規格氣凝膠中空玻璃的傳熱系數K值



可見(jiàn),6+12Q+6氣凝膠中空玻璃K值為0.9,而常見(jiàn)6+12A+6中空玻璃傳熱系數K值為2.7,前者僅為后者的1/3。

目前限于成本較高、規?;a(chǎn)程度不高等問(wèn)題,氣凝膠玻璃尚處于工程示范應用階段。


2、國內外發(fā)展歷史及現狀

1931 年,美國Steven.S.Kistler博士無(wú)意中發(fā)明了二氧化硅氣凝膠這種物質(zhì),稱(chēng)之為“冷凍煙霧”。

早期的氣凝膠非常易碎和昂貴,所以主要在實(shí)驗室里使用,直到上世紀 60 年代才重新引起人們的興趣。

到了 70 年代末、80 年代初,經(jīng)過(guò)法國科學(xué)家Feichner以及美國勞倫茲伯克利國家實(shí)驗室的Arlon Hunt 等人的不懈努力,氣凝膠才獲得了極大的發(fā)展,在 90 年代成為全球的研究熱點(diǎn)。

進(jìn)入 21 世紀,美國航空航天管理局下屬的 Aspen 公司率先開(kāi)始低端氣凝膠產(chǎn)業(yè)化,隨后,我國也相繼開(kāi)始低端氣凝膠產(chǎn)業(yè)化,但高端透明氣凝膠均未產(chǎn)業(yè)化。

歐盟在 2010 年發(fā)布的一份氣凝膠專(zhuān)題報告中預測:到 2050 年,氣凝膠產(chǎn)品會(huì )像今天的塑料一樣應用廣泛。

以丹麥的一座獨棟別墅為例,在丹麥現行建筑節能標準下,三層充氬氣玻璃的 U 值是0.6W/(m2·K),g 值是 0.46;而使用氣凝膠玻璃后,U 值降至0.5 W/(m2·K),g 值是 0.75。

在歐盟現行建筑節能標準下,這棟別墅如使用三層充氬氣玻璃,供暖需求量是 6220 千瓦/年,而使用氣凝膠玻璃的供暖需求量是 5040 千瓦/年,降低 19%。

如采用德國被動(dòng)房標準建設,三層氬氣玻璃的供暖需求量為 2070 千瓦/年,氣凝膠玻璃為 1380 千瓦/年,下降 34%。

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圖4 國內外建筑節能玻璃發(fā)展歷程及趨勢

2012年天津南玻研發(fā)出氣凝膠中空玻璃,將氣凝膠和中空玻璃結合形成具有一定采光性能的墻體材料,隔熱保溫性能遠超過(guò)現有低輻射節能玻璃,傳熱系數為0.5 W/(m2·K),構造見(jiàn)圖5。

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圖5 氣凝膠中空玻璃構造示意圖

2013年,中南大學(xué)研制的新型超級節能氣凝膠玻璃在我國首次實(shí)現量產(chǎn),填補了我國在該應用領(lǐng)域的一項空白,到目前為止,世界上也僅有少數國家擁有高端透明氣凝膠核心技術(shù)。

氣凝膠玻璃制品還需繼續突破:通過(guò)擴大產(chǎn)能實(shí)現規?;?,擴大成本優(yōu)勢;加快建立氣凝膠玻璃相關(guān)國家、行業(yè)或地方標準,應用技術(shù)規程與建筑構造圖集。


3、氣凝膠玻璃的應用

氣凝膠玻璃的應用主要集中于3種形式:氣凝膠涂膜玻璃、整塊狀氣凝膠玻璃和顆粒氣凝膠填充玻璃。

(1) 氣凝膠涂膜玻璃

氣凝膠膜的制備工藝根據凝膠和鍍膜的先后順序不同分為2種。

第一種工藝:先在基板上用溶膠鍍膜,再進(jìn)行后續的凝膠、干燥過(guò)程。

第二種工藝:制備溶膠后,先凝膠,再將凝膠用溶刻超聲或均質(zhì)分散后鍍膜。

(2) 整塊狀氣凝膠玻璃

整塊狀氣凝膠玻璃的制作工藝主要是將塊狀氣凝膠夾于兩塊玻璃中間,然后用密封膠密封得到。

與顆粒氣凝膠相比,整塊狀氣凝膠太陽(yáng)得熱系數(SHGC)較高。

例如:10 mm厚整塊狀氣凝膠玻璃太陽(yáng)得熱系數為0.9,而顆粒氣凝膠填充玻璃太陽(yáng)能得熱系數為0.5。

(3) 顆粒氣凝膠填充玻璃

將氣凝膠顆粒直接充入兩片玻璃的空腔中,得到氣凝膠玻璃。

在市場(chǎng)應用方面,已經(jīng)出現了一些生產(chǎn)顆粒氣凝膠填充玻璃的商家。但目前還集中于歐美國家,而國內對這一部分仍未有較多涉足。

美國新澤西州紐瓦克一所大學(xué)使用氣凝膠玻璃進(jìn)行建筑節能改造,發(fā)現氣凝膠玻璃系統較普通玻璃系統節能效果增加4倍。

紐約州立大學(xué)石溪分校諾貝爾大廳實(shí)施了氣凝膠玻璃工程示范,獲得了良好的自然光線(xiàn)和優(yōu)越的絕熱性,該項目獲得LEED金牌認證,見(jiàn)圖6。

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圖6 紐約州立大學(xué)石溪分校諾貝爾大廳

4、氣凝膠玻璃需解決的問(wèn)題

目前,氣凝膠玻璃需要解決以下問(wèn)題:

(1) 低成本常壓干燥和快速制備技術(shù),降低氣凝膠顆粒及玻璃生產(chǎn)成本,提升氣凝膠玻璃技術(shù)經(jīng)濟性。

(2) 完善氣凝膠玻璃生產(chǎn)制造工藝技術(shù),解決氣凝膠玻璃可能出現的沉降、密封等問(wèn)題。

(3) 通過(guò)計算模擬、工程示范等手段,針對不同氣候和區域條件給出氣凝膠玻璃節能減碳效率,繪制不同氣候和區域節能分布圖及其應用路線(xiàn)圖。

5、氣凝膠玻璃的發(fā)展前景

氣凝膠玻璃同時(shí)兼具A級防火和極佳保溫性能的優(yōu)勢,決定了其應用的廣泛性。

(1) 安全性應用

與銫鉀玻璃組合。氣凝膠屬于不燃材料,與銫鉀玻璃組合,可在日益嚴格的建筑節能要求的基礎上,顯著(zhù)提高玻璃防火等級。

與夾膠玻璃組合。氣凝膠本身具有優(yōu)異的吸能特性,通過(guò)與夾膠玻璃的組合應用,在滿(mǎn)足日益嚴格的建筑節能要求的基礎上,可顯著(zhù)提高玻璃防彈、防爆等級。

(2) 節能性應用

氣凝膠玻璃具有優(yōu)異的隔熱保溫性能,K值與氣凝膠層厚度有關(guān);氣凝膠層厚度越大,其K值越低。

(3) 室內舒適性應用

建筑采光頂。氣凝膠采光玻璃應用于建筑采光頂上,室內可避免眩光現象,并獲得舒適的自然光環(huán)境及采光效果,見(jiàn)圖7。

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圖7 氣凝膠玻璃在建筑采光頂上的應用

玻璃幕墻。氣凝膠采光玻璃通過(guò)與透明節能玻璃的組合使用,可顯著(zhù)減少眩光現象,并獲得室內舒適的光環(huán)境以及采光效果。

(4) 美觀(guān)性、智能性應用

氣凝膠玻璃與陶瓷彩釉玻璃組合,在滿(mǎn)足日益嚴格的建筑節能要求的基礎上,可獲得建筑立面的美學(xué)效果,充分滿(mǎn)足建筑個(gè)性化要求。

氣凝膠玻璃與智能化玻璃(電致變色、電加熱玻璃、顯示屏等)組合使用,在滿(mǎn)足日益嚴格的建筑節能要求的基礎上,可獲得建筑立面的智能控制效果,充分滿(mǎn)足建筑個(gè)性化要求。


6、總結

氣凝膠玻璃是一種以氣凝膠為主要原料的新型建筑材料,具有節能、安全、舒適等特點(diǎn)。本文主要介紹了氣凝膠玻璃的發(fā)展現狀、存在問(wèn)題以及發(fā)展前景。

建材行業(yè)標準《氣凝膠中空玻璃》JC/T 2669-2022已正式發(fā)布,給出了常見(jiàn)規格氣凝膠中空玻璃的傳熱系數K值,大大低于常規中空玻璃的K值。

氣凝膠玻璃的應用主要集中于3種形式:氣凝膠涂膜玻璃、整塊狀氣凝膠玻璃和顆粒氣凝膠填充玻璃。

氣凝膠玻璃需要解決低成本常壓干燥和快速制備技術(shù)、氣凝膠玻璃生產(chǎn)制造工藝技術(shù)和工程應用技術(shù)等問(wèn)題。

氣凝膠玻璃同時(shí)兼具A級防火和極佳保溫性能的優(yōu)勢,在建筑玻璃安全性應用、節能性應用、室內舒適性應用和美觀(guān)性、智能性應用場(chǎng)景具有廣闊應用前景。


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