纤维状粘土/二氧化硅双网络气凝胶的增强结构构建与高效隔热机理研究

Thermal insulation of building envelope, and contradiction between strength and thermal insulation of structural silica aerogel are new subjects widely concerned. In this research, we propose to construct halloysite/silica double network aerogels, in order to solve the increasing concentration and thermal conductivity of fiber over reinforced silica aerogel. We put forward the loading of macromolecule in halloysite based on the negative charges in the inner surface of halloysite to obtain halloysite aerogel. We will investigate the controllable construction of halloysite/silica double network aerogels and the mechanisms of the aerogels on the reinforcement and thermal conduction of the composites. Characteristics will be performed. This will help us study the mechanisms of reinforcing and thermal conduction of the halloysite/silica double network aerogels, and research the modeling of them. Reinforcing and thermal conduction theory of the halloysite/silica double network aerogels could be deepened, and the feasibility of this study on solving the contradiction could be confirmed as well. Thus, this research will probably probe a new way for improving thermal insulation of building envelope, and enrich the theory of aerogels reinforcing and thermal conduction.

提高建筑围护结构保温性能，解决传统结构气凝胶强度与隔热性能的矛盾一直受到人们关注。本项目针对纤维过度增强导致气凝胶密度及导热率升高等不足，提出利用纤维状埃洛石粘土与二氧化硅构建双网络纳米复合气凝胶增强结构的设想。通过埃洛石内壁正电荷负载大分子链作为交联点，将纤维状埃洛石粘土构筑为三维粘土凝胶网络，将其与二氧化硅气凝胶制备体系复合，在形成第二网络结构的同时构建彼此互穿的三维双网状结构。系统研究埃洛石凝胶和埃洛石/二氧化硅双网络气凝胶的制备与特性调控机制，分析双网络结构中两相与相界面特性对气凝胶增强与传热的影响规律。弄清双网络结构应力传递行为及增强机制；揭示双网络结构的传热行为并建立传热模型，探讨其高效隔热机理。本项目的研究为无机双网络结构的构建以及利用双网络在提高气凝胶强度的同时获得高效隔热性能探索出新途径，有望丰富气凝胶增强与隔热理论的研究内涵，对绿色建筑高性能隔热材料的发展提供理论支持。

建筑物能耗中围护结构的热量损失占很大比重，其原因很大程度上源自建筑物围护材料的低隔热性。本项目针对纤维过度增强导致气凝胶密度及导热率升高等不足，提出了利用纤维状埃洛石粘土与二氧化硅构建双网络纳米复合气凝胶增强结构。研究了埃洛石凝胶和埃洛石/二氧化硅双网络气凝胶的制备与特性调控机制，分析了双网络结构中两相与相界面特性对气凝胶增强与传热的影响规律。获得了双网络结构应力传递行为及增强机制；揭示了双网络结构的传热行为并建立传热模型，探讨了其高效隔热机理。经过四年的研究，本项目在完成项目计划任务书设定的研究目标的同时，进行了更深一步的研究与探讨，并对其应用领域进行了扩展，在SCI收录的期刊发表学术论文19篇，申请国家发明专利5项，授权4项，授权实用新型6项，实现成果转化4项，培养研究9名，参加国际、国内学术交流会7次，项目研究成果获批天津市科技进步二等奖1项。项目取得的重要结果如下：（1）利用HNTs内壁正电荷负载大分子链作为交联点，将纤维状的HNTs粘土构筑为三维气凝胶网络状态，将其与SiO2气凝胶制备体系复合，构筑了第二网络结构的同时形成彼此互穿的三维空间双网状结构，揭示了HNTs三维网络气凝胶的凝胶动力学以及结构与特性的调控机制。（2）找出了HNTs/ SiO2双网络气凝胶相界面结构与特性的控制规律；弄清了双网络结构的应力传递行为与复合气凝胶增强机理。所获得的HNTs/ SiO2双网络气凝胶样品抗压强度为1.36 MPa，导热率为0.023 W·m-1·K-1。（3）揭示了HNTs/ SiO2双网络结构传热机制及对复合材料导热性能的影响机理，建立了双网络传热行为模型和复合材料导热系数模型，为无机双网络气凝胶结构构建以及利用双网络结构提高气凝胶强度与隔热性能提供科学依据。（4）创新构建了HNTs/ SiO2-Al2O3、先驱体陶瓷双网络气凝胶和有机-无机杂化双网络气凝胶结构体系。本项目的研究为无机双网络结构的构建以及利用双网络结构在提高气凝胶强度的同时获得高效隔热性能探索出新途径，丰富了气凝胶增强与隔热理论的研究内涵，对绿色建筑高性能隔热材料的发展提供了实验数据和理论支持。