纳米孔绝热材料_纳米孔硅质绝热材料
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纳米孔绝热材料简介
一、概述
目前超效绝热材料主要有两种：一种是真空绝热材料，另一种是 纳米孔绝热材料。超效绝热材料已发展成为绝热材料大家族中的重要成员，特别是近几年来，国外超效绝热材料发展明显加快，已成为有关绝热技术国际研讨会上关注的重点之一，“纳米孔绝热材料”的概念在我国的提出只是近两年的事情。
二、纳米孔绝热材料应同时具备以下几个特征：
1、材料内几乎所有的孔隙都应在100小于100nm以下，我国学者近几年来对组成纳米材料的单元尺寸曾有过热烈的讨论：基本认为大部分纳米材料的单元尺寸只有小于100nm才能够有性能方面的跨越式变化，因此目前一般认为只有组成材料的单元尺寸小于100nm时才能称其为纳米材料。
2、材料内80%以上的气孔尺寸都应小于50nm，由于空气中的主要成分氧气和氮气的自由程都在70 nm左右，因此只有在大部分气孔尺寸都小于50nm时材料内部才能基本消除对流，使对流热大幅度降低。
3、材料应具有很低的体积密度。
4、材料在常温和设定的使用温度下都应该有“无对流空气”更低的导热系数。
除上述特征之外，对于大多数绝热材料还要求具有较好的耐高温性能。
三、纳米孔硅质绝热材料的主要产品及其应用为了满足各种应用需求，纳米孔硅质绝热产品形式的多样化、系列化也是近几年来纳米孔硅质绝热材料发展的一大特点。按照产品的性能特点，大致可分为5类：
1、标准型
典型的标准型纳米孔硅质绝热产品价格适中，最高使用温度一般为950℃。
2、高温型
在原料中加入一些能改善制品加热线收缩率的添加剂，就可得到由标准型改性而成的高温型纳米孔硅质绝热产品，其最高使用温度一般为1025℃。
3、防水型
由于硅质纳米孔结构具有亲水性，而且水的进入可直接导致纳米孔结构的塌陷，因此，在一些可能与水接触的使用场合就需选用具有防水功能的防水型纳米孔硅质绝热产品。
4、高温防水型
高温防水型是通过对高温型纳米孔硅质绝热材料进行防水改性而获得的。
5、优化型
优化型纳米孔硅质绝热产品的强度指标及使用温度均比标准型有所改进，其短时间使用温度可达1200℃，长期使用温度1000℃。此外，由粉尘引起的矽肺危害也比其它产品明显降低。按照产品的外形特点，纳米孔硅质绝热产品又可分为7类：
1、绝热块
纳米孔硅质绝热块的典型容量为每立方米330㎏，标准外形规格有：长×宽×厚（mm）=150×150×3;300×300×10;900×900×25;1500×900×50;1500×900×65.在应用中,绝热块可按需要切割成各种形状的制品。
2、模制哈夫管
模制哈夫管主要用于管道的绝热。哈夫管的组合接缝一般是企口型,以减少“热桥”效应。
3、异型模制件
异型模制件一般均是一些特殊性另用途的绝热制品。大部分是一些电工产品的隔热制品以及航天、航空用绝热制品（如、飞机“黑匣子”的绝热盒等）。
4、贴面的增强板
纳米孔硅质绝热产品采用 贴面主要是增加板材强度，降低产品成本。供选择的贴面材料有：玻纤布，铝箔及某些塑料薄膜。产品容重范围：每立方米200-275 ㎏；厚度范围：3-50mm。标准外形规格有：长×宽×厚（mm）=300×300×3；600×600×10；1500×1000×25；1500×1000×50。
5、玻纤贴面增强带
玻纤贴面增强带除了拥有贴面增强板的特点外，还具有更广的使用范围。它在宽度方向上具有良好的折卷性，因此它适用于一些柱面 3 体的绝热结构。产品容重范围：每立方米200-275 ㎏；厚度范围：3-19mm。
6、玻纤缝制半硬板
玻纤缝制半硬板是由低容重的纳米孔硅质绝热材料外覆玻纤缝制面成的制品，它在所有方向上都具有一定的卷曲性，因此具有更广泛的应用范围（英国的“美洲报”战斗机上就使用了该产品）。产品容重范围：每立方米175-225 ㎏；厚度范围：3-9mm。
7、玻纤复合绳
该产品外覆玻纤布套作为增强，具有容重轻，成本低的特点。可应用于直径小于70 mm的管道绝热。纳米孔硅质绝热产品可以用多种机械的方法进行加工，也可以用激光切割来获得更为精密的尺寸形状。在应用中，如果遇到只能用两块以上绝热产品才能覆盖绝热面的情况，应尽量采用两层或两层以上的绝热结构，并保证相临的层内结缝相互错开。尽量避免“热桥”的产生。对于应用温度超过纳米孔硅质绝热产品规定温度的场合。可采用粘贴、喷涂等施工方法与陶瓷纤维等制品配合使用。
四、纳米孔绝热材料的应用展望
具有优良综合性能的纳米孔绝热材料一旦问世，在军工和宇航领域有着迫切的市场。
在民用方面随着纳米孔绝热材料生产技术的不断成熟与生产规模的有不断扩大，其生产成本将有较大的下降。该材料将首先应用于家庭及单位的太阳能热水器。将纳米孔绝热材料应用于热水器储水箱、管道和集热器，将比现有太阳能热水器的集热效力提高一倍以上，而热损失下降到现有水平的30%以下。太阳能热水器性能的提高对我国阳光充足、气候寒冷的西北地区尤为重要，可以大幅度降低对植物型燃料的依赖，对生态环境的保护具有重要意义。
我国目前拥有家庭太阳能热水器2000万台以上，如每台热水器使用0.1立方米的纳米孔绝热材料,则全国将有200万立方米的潜在市场。
另外,纳米孔绝热材料也应用治金、建材、石化，电子、电力等部门。如电力行业应用于热力电、核电厂的管道及汽轮机保温等，如钢铁厂工人用的炼钢服。
我国第一部《公共建筑节能设计标准》已于今年7月1日起正式实施。建设部相关负责人认为：建筑使用过程中的能耗主要包括建筑采暖、空调、热水供应等方面，各部分能耗大体比例为：采暖空调占65％，热水供应占15％，电气占14％，炊事占6％。采暖空调节能降耗首当其冲。从今年起，中国将大力推广绿色建筑，将对新建住宅要求采取隔热保温措施
建筑隔热涂料产品能够降低冬季采暖能耗，兼顾降低夏季降温能耗，大幅度降低外墙传热系数，节能水平达到国际先进水平，并填补国内墙体保温材料的空白，使当前新旧建筑物均能达到政府的节能要求。根据建筑隔热涂料隔热机理和隔热方式的不同，可分为阻隔性隔热涂料、反射隔热涂料及辐射隔热涂料三类。
阻隔性隔热涂料——转型中
阻隔性隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性来实现隔热的涂料。热传递是通过对流、辐射及分子振动热传导3种途径来实现的。应用最广泛的阻隔性隔热涂料是硅酸盐类复合涂料，这类涂料是20世纪80年代末发展起来的一类新型隔热材料。我国有上百家研究单位和企业在进行保温涂料的研究工作，各生产厂对产品的称呼不尽相同，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，涂料配方、施工方法各异，性能如快干速硬、防水憎水等也各不相同，但均属硅酸盐系涂料。主要由海泡石、蛀石、珍珠岩粉等无机隔热骨料、无机及有机粘结剂及引气剂等助剂组成。经过机械打浆、发泡、搅拌等工艺制成膏状保温涂料。国家质量技术监督局于1998年5月发布了硅酸盐复合隔热涂料国家标准（CB／T17371—1998），为硅酸盐隔热涂料的生产和应用提供了一个可供参照的技术标准。受历史和社会经济条件等因素的影响，成本较低的阻隔性隔热涂料在我国的发展已达到世界先进水平，但主要用作工业隔热涂料，如发动机、铸造模具、贮油罐等的隔热涂层等。目前这类涂料正在经历一场由工业隔热保温向建筑隔热保温的转变，但由于存在自身材料结构带来的缺陷，如干燥周期长，施工受季节和气候影响大，抗冲击能力弱，干燥收缩大，吸湿率大，对墙体的粘结强度偏低以及装饰性有待进一步改善等，故这类隔热涂料较少用于外墙涂装。
反射隔热涂料———节能高
反射隔热涂料（水性）是在铝基反光隔热涂料的基础上发展而来，通过选择合适的树脂、金属、或金属氧化物颜、填料及生产工艺，制得高反射率涂层，反射太阳光来达到隔热目的。
地球每时每刻受到太阳的照射。太阳每秒有1．765×1017（上标）J能量到达地球，巨大的能量给人类的生存和生活提供了必备条件，但太阳的强烈辐射，也给人们的生活带来一些不便，太阳的高热辐射会给人类赖以生存的空间带来许多危害。夏季阳光照在建筑物屋顶上，顶楼房间的室内温度要比楼下房间高出3－5℃。许多发达国家中，喷淋装置、空调、冷气机和电风扇等降温制冷设备所耗用的能量，占全年总能耗的20％以上。在我国，这些设备消耗的能量则更多。采用太阳热反射涂料则可克服或缓解这些问题，因此具有广阔的发展前景，是能为市场所接受的产品。这种产品现已用于建筑业的钢结构屋顶和玻璃幕墙；石油工业的海上钻井平台、油罐、石油管道；运输业的汽车、火车、飞机表面；造船工业的船壳、甲板；以及坦克、军舰、火箭、宇宙飞船等，起到阻止热传导，降低暴露在太阳热辐射下装备的表面温度和内部环境温度，改善工作环境，提高安全性等作用。
据美国一家公司测算，使用太阳热反射涂料可以节约15％－20％的空调费。它的性能特点决定了其目标市场在石油化工领域、粮储仓库部门、建筑业及车辆、船舶的制造业等方面，市场范围相当广泛。
反射隔热涂料采用进口固体丙烯酸树脂作为基料，利用特种材料，如“空心微珠”等组合形成高太阳热反射漆膜，不仅具有工业、建筑涂料的防腐装饰功能，同时起到了极佳的降温隔热作用。空心微珠填料对近红外光的反射比远远高于普通填料。玻璃微珠与陶瓷微珠的反射比相近，但陶瓷微珠的贮存稳定性差，空心玻璃微珠保温涂料较稳定。
辐射隔热涂料———降温快
辐射隔热涂料是通过辐射的形式把建筑物吸收的日照光线和热量以一定的波长发射到空气中，从而达到良好隔热降温效果的涂料。
其中的关键技术是制备具有高热发射率的涂料组分。研究表明，多种金属氧化物，如Fe2O3、Mn02、C0203、CuO等具有反型尖晶石结构的掺杂型物质具有热发射率高的特点，因而广泛用作隔热节能涂料的填料。人们详细研究了红外辐射的原理，并通过在硅酸盐结晶相中加入Al2O3，Vi02等金属氧化物细粉作为填料而研制出的红外辐射涂料在5－15μm波段内辐射红外线的能力在85％以上。
辐射隔热涂料不同于玻璃棉、泡沫塑料等多孔性低阻隔性隔热材料，因这些材料只能减慢但不能阻挡热能的传递。白天太阳能经过屋顶和墙壁不断传人室内空间及结构，一旦热能传入，就算室外温度减退，热能还是困陷其中。而辐射隔热涂料却能够以热发射的形式将吸收的热量辐射掉，从而促使室内与室外以同样的速率降温。另类新型隔热涂料
薄层隔热反射涂料———还防火
选择耐候性好、韧性好、耐温较高、成膜性好的基料，加入轻质、孔隙率高、热绝缘系数大的绝缘填料及反射率高、表面光洁的反射填料，并辅以合适的分散剂、阻燃剂、成膜助剂等，研制成的薄层隔热反射涂料的热反射率可达85％以上，可用于成品油罐及低温容器的隔热保温。
真空绝热保温涂料———超级薄
真空状态能使分子振动热传导和对流传导两种方式完全消失，为此采用真空的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。美国推出利用太空科技的ASTEC陶瓷绝热涂料在建筑物内使用，施以薄层即可有效地增强隔热保温效果，秋天可使室温提高2.8－4.4℃，夏天可使室内降低同样的温度，该涂料也具有较长的使用寿命。如一种由极微小的真空陶瓷微珠和与其相适应的环保乳液组成的水性涂料，它与墙体、金属、木制品等基体有较强的附着力，直接在基体表面涂抹0．3mm左右即可达到隔热保温目的纳米孔超级绝热保温涂料———研发中
纳米孔超级绝热材料是建立在低密度和超级细孔（小于50nm）结构基础上，理论上其导热系数可趋近于零。采用纳米孔原料获得比静止空气导热系数（0．023W／m·K）更小的涂膜是完全可能的。降低生产成本，开发使用温度高于1050℃的纳米孔绝热材料是今后研发的主要方向。作为最具市场应用潜力的新兴纳米科学技术，其发展为隔热涂料的研究提供了前所未有的机遇和可能性。
未来发展方向
（1）现有产品及其技术的改进提高。降低成本、提高性能、扩大品种，以满足不同用户的需要。如复合硅酸盐保温涂料应向快速固化、憎水、提高粘接强度、降低密度、负温施工、降低成本和用于建筑节能等方向发展。（2）研制生产复合型多功能保温涂料。一种保温效果良好的涂料往往是两种或多种隔热机理协同作用的结果，各种保温涂料各有其优缺点，可充分发挥各自的特点，进行优势互补，研制出性能优良的复合型保温涂料。
（3）大力发展建筑保温涂料及相关技术。在我国能源消耗中，建筑能耗大约占全国能源消耗的1／4，而建筑用保温材料仅占总量的11％左右，可见建筑节能潜力很大。
（4）积极开发新型保温涂料及相关技术。如低辐射传热涂料、高效薄层隔热防腐一体化涂料等。含纳米或亚纳米微孔结构的涂膜及采用纳米材料制得的涂膜将是下一阶段保温涂料发展的热点之一。
（5）注重环保，利用“三废”开发保温涂料。环保越来越引起世界各国的重视，保温涂料的研制应遵循涂料发展的潮流，向水性、环保的方向发展，避免使用环保法规中禁用的有害物质。
此外，在国防和军事方面，面向未来生物化学战争的特殊军事服装也在研制和生产中。据来自北京安特普纳公司的研究人员黄志永先生介绍，纳米二氧化钛（TiO2）具有光催化性能，在阳光（紫外线）照射下，它能使大多数有机物（包括细菌在内）发生氧化还原反应，生成无污染的CO2和H2O，从而在很短的时间内杀死细菌和病毒，消除空气中的恶臭和纺织品上的油污等。根据纳米二氧化钛（TiO2）的这种性能，我国的军备研究机构已成功地完成了对有毒气体“全氟异丁烯”的彻底无毒降解。将这一成果应用于专用防化服装对我国应对未来高科技战争具有极为特殊的意义。
五、结论纳米孔绝热材料是随着世界整体纳米技术的发展而形成的新概念、新技术、新产品。其技术的不断成熟和生产成本的不断下降将带来绝热材料与绝热工程领域的一场革命。开发具有我国自主知识产权的纳米孔绝热材料是我国绝热材料工作者的历史史命。我国绝热材料的生产企业只有不断创新，开发与掌握世界最先进的绝热材料生产技术与理论，才能在未来的全球化经济竞争中取得主动权。
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