南京工业大学||具有三明治结构的气凝胶材料助力建筑保温节能与国家双碳战略实施

科学 2024-04-07 13:13 江苏

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随着世界经济的快速增长和人口的增加，全球能源消耗不断增加。根据《2018年国际能源展望》（IEO2018），全球能源需求预计将从 2020 年的 1.78×10¹¹ 兆瓦时增至 2030 年的 1.78×10¹² 兆瓦时。其次，化石燃料的燃烧会导致大量二氧化碳排放。特别是在发达国家，仅建筑行业就占二氧化碳和能源排放总量的近 40%。针对这些问题，许多国家的政府都出台了相关政策，通过应用建筑围护结构来最大限度地减少热量损失。研究人员认为，通过开发高效保温材料来节约能源已成为节能减排的重要手段。其中，气凝胶保温材料在业内受到广泛关注。

然而目前各向同性隔热材料的发展已进入瓶颈期。在优化机械性能的同时，气凝胶本身的导热性和复合材料的密度将不可避免地增加。在这种情况下，急于提高绝热性能势必会影响力学性能，增加制备过程的繁琐程度，大大增加性能不稳定的概率。将绝缘材料的各向同性结构制备成各向异性结构，有望使材料在保证性能稳定的同时降低导热系数。

基于此，南京工业大学崔升教授团队以具有层状结构的超轻玻璃纤维棉毡（UGFW）为模板，复合并嵌入二氧化硅气凝胶（SA），用功能硅烷对网络结构进行了增强，并通过超临界干燥获得了各向异性结构材料。SA@UGFW 不仅具有超轻（58 kg/m³）和高强度（0.1 MPa）的特性，还具有高效的自清洁能力（水接触角≈ 152.4°）。三明治结构气凝胶材料具有超高效的隔热性能（0.015-0.017 W/(m·K)）和降噪性能（α_max = 0.93，NRC = 0.51，9.77 mm）。尽管样品厚度仅为 9.77 毫米，但当热源温度为 200 ℃ 时，SA@UGFW 的冷表面温度为 54.2 ℃，ΔT 为 145.8 ℃。此时，ΔT 高于热源温度的 70%。模拟结果表明，与传统保温材料相比，气凝胶建筑保温材料可节约31.00%的采暖能耗和27.34%的制冷能耗。因此，本文报道的具有三明治结构的气凝胶材料实现了室内舒适度的提升，有望在建筑领域得到广泛应用。

相关研究成果以“Self-cleaning, energy-saving aerogel composites possessed sandwich structure: improving indoor comfort with excellent thermal insulation and acoustic performance”为题发表在Energy and Buildings期刊上。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114098

研究内容

图1. SA@UGFW 结构演变与机理图

图2. SA@UGFW物化特性表征

图3.SA@UGFW的热学性能测试图4.SA@UGFW的冷面温度测试与线性关系

图5.SA@UGFW的节能模拟

图6.SA@UGFW的降噪性能测试

南京工业大学崔升教授为本工作的通讯作者，课题组博士生宋梓豪为论文的第一作者。

本工作得到国家自然科学基金项目（52272300, 52202367）；国家重点研发计划项目（2023YFB3812300）；全国建材行业重大科技攻关项目（202201JBGS18-01）；江苏省重点研发计划项目（BE2023811）；江苏省自然科学基金项目（BK20221189）等的资助。

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