一、硬硅钙石及其二次粒子
　　
　　硬硅钙石是水化硅酸钙矿物中的一种。在所有的水化硅酸钙矿物中硬硅钙石是结晶水含量最低、耐温性最好的一种矿物。硬硅钙石的分解温度为1050℃-1100℃。在此温度下硬硅钙石晶体几乎不发生任何变化。即使是发生了上述分解反应，由于失去的结晶水很少，所引起的体积变化也不大，不会造成毁灭性破坏。
　　做为保温材料的硬硅钙石是以SiO2质原料(如石英)和CaO质原料(如石灰)在高压釜中经水热动态合成。硬硅钙石一般呈针状或纤维状。随着反应的原料和反应条件的不同，纤维的直径可以从几微米到小于100纳米。这些纤维互相交生、连生、相互缠绕形成具有类似鸟窝结构的中空二次粒子。在二次粒子内部并不是完全中空而是稀疏的硬硅钙石纤维纵横交织分布，把内部分割成更小的空间。在二次粒子的外部硬硅钙石纤维较为密集，形成紧密坚实的外壳。部分纤维外延生长，形成伸向外壳的尖刺，因此这些硬硅钙石二次粒子又称为毛栗状的二次粒子。这些二次粒子的直径一般为十几到几十个微米。
　　硬硅钙石型硅酸钙保温材料就是以这种二次粒子紧密堆积而成的。一般来说相同容重时，硬硅钙石纤维晶体的直径越细，内部孔隙尺寸就越小，从而其导热系数就会越低，制品的强度也就越高。硬硅钙石型硅酸钙保温材料的最高使用温度根据不同的厂家和不同的产品一般在900℃～1100℃的范围内。其耐高温性能的好坏主要与材料内硬硅钙石的含量和硬硅钙石的结晶程度有关。含量在99%以上，结晶良好的硬硅钙石型保温材料其最高使用温度可达1100℃。
　　
　　二、硬硅钙石型硅酸钙保温材料的国内外生产状况
　　
　　硬硅钙石型硅酸钙保温材料目前在全世界的产量约为50万米3年，以日本产量最大，约为10万m3年，其次是美国(8万m3年)。我国2002年约生产硬硅钙石型硅酸钙保温材料5万m3，整个欧共体约生产15万m3。除日本外，过去5年中各国(或地区)的硬硅钙石型硅酸钙保温材料生产呈逐年增长趋势。1997年以前日本是世界上最大的硅酸钙出口国，目前已由出口国变为进口国。其主要原因就是日本的新能源政策以及日本劳动力价格不断上升。由日本让出的市场大部分由欧洲和美国所占领。我国占领了部分东南亚市场并少量出口日本。
　　随着近几年世界范围内的环保意识的不断增强，硬硅钙石型硅酸钙保温材料的环境友好型特点越来越被人们所认识。其生产、运输、安装和使用过程中较其它同类用途的材料具有更低的粉尘生产量(指容易在空气长期漂浮的微粒粉尘)和更低的人体危害性。硬硅钙石在酸性溶液中是易溶物质，在中性溶液中是微溶物质，在蒸馏水中的浸泡实验表明，硬硅钙石二次粒子能够在不断更换新水的操作下，使PH值长期保持在8左右，直至硬硅钙石消失。
　　我国硬硅钙石型硅酸钙保温材料的生产近5年来处于不断增长的趋势，应用领域不断增加，市场不断扩大。尤其是近两年来在中南亚地区、中亚地区和非洲地区的市场不断扩大以及在国内水泥行业需求量的快速增长，一度出现供不应求的局面。
　　
　　三、硬硅钙石型硅酸钙保温材料的应用领域及其发展前景
　　
　　1、钢结构防火
　　(1)钢结构防火的必要性
　　当建筑物采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏，钢结构在火灾中被烧塌的事故国内外不乏其例。从一些火灾案例中可以看出，无防火保护措施的钢结构在火灾下的破坏形式均是倒塌。而且，从结构受火至其倒塌这一时间很短，仅为10～20分钟，充分暴露了钢结构耐火性能差的弱点。
　　因此，我国《钢结构设计规范化》（GBJ 17-88）规定：当结构表面长期受辐射热达150℃以上或在短期内可能受到火焰作用时，应采取有效保护措施，以保证结构在使用期内安全可靠。
　　(2)钢结构在火灾中的表现
　　钢材虽属非燃烧材料，但由于钢材的热膨胀系数很高，在高温下可能造成结构的屈曲，而其良好的导热性也将助长热量的蔓延。在火灾高温下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等会随着温度的升高而降低。
　　(3)硬硅钙石型硅酸钙防火板与其它防火材料的比较
　　 钢结构防火目前在我国主要有防火涂料和防火板两类材料。其中防火涂料又可分为厚质涂料、薄型涂料和超薄型涂料。发泡涂料一般是指遇火后能够发泡的薄型涂料。薄型涂料和超薄型涂料主要是由树脂类材料为粘结剂的涂料，耐火极限一般小于1.5小时。对于耐火极限要求在1.5小时以上的高等级防火，一般使用厚质防火涂料。厚质防火涂料多由保温涂料演变而来，主要是依靠材料的导热系数低和具有一定的耐高温性而使其具有防火功能。这类涂料的主体隔热组份主要有膨胀珍珠岩、漂珠、硅灰、膨胀蛭石、海泡石、石棉等。这些材料的最高使用温度大部分在800℃以下，因此其防火过程实际上是材料的破坏过程。因此使用这些厚质防火涂料其防火极限很难超过3个小时，大部分在2.5小时以内。
　　厚质防火涂料虽然比薄型防火涂料具有更好的防火性，但一般外观的再装饰性较差，或再装饰的成本较高。因此有些装饰性要求较高的钢结构不得不在防火级别作出让步的条件下而使用薄型防火涂料。
　　为了既达到厚质涂料的防火时间，又具有较好的装饰性，有些设计中采用了具有较高强度的防火板材。在90年代以前这些防火板的材质主要有水泥石棉板、石膏板、蛭石混凝土板、蛭石硅酸钙矿棉板和预制混凝土定型套管等。表1是我国部分高层钢结构工程防火保护情况。



　　板材通过水泥砂浆灌缝、抹灰与钢结构构件固定，或以合成树脂粘结，也可采用钉子或螺丝固定。这些传统的防火板材虽能在一定程度上提高钢结构的耐火时间，但存在着明显的不足。混凝土预制板(定型套管)自重过大(200-2400Kgm3)，蛭石板、珍珠岩板虽然容重小，但最高使用温度只有650～850℃，严格来说达不到钢结构耐火保护要求；石膏板容重较大，最高使用温度只有200～400℃也难以达到有效保护钢结构的需要；而石棉板对人体有害，不符合劳保和环保要求，已被列为淘汰产品；作为板材粘结剂的合成树脂，也难以达到在高温下具有足够的粘结强度的需求。正是由于上述诸多问题，板材包敷法虽早已采用，但并未获得推广应用。由此人们只好把重点投向防火涂料，板材保护法因而发展缓慢。
　　日本JIC公司于1984年即开始生产硅酸钙防火装饰板(KB防火装饰板)，最高使用温度1000℃，主要用于钢结构防火保护。90年代中期德国和丹麦研制成功最高使用温度达1100℃的高温隔热板，均属无石棉纯硬硅钙石结构，具有优良的耐高温性能和隔热性能。这种隔热板材，对人体无害，耐火极限可达4小时(30mm 板厚)，配套研制的硅酸岩高温胶粘剂可耐1000℃的高温。可以说无石棉纯硬硅钙石结构型防火板代表了当今钢结构防火保护板材料技术的最新发展潮流，为新型钢结构防火保护技术的发展提供了良好的物质技术基础。
　　由于火灾现场的火焰温度大约在800～1000℃之间，因此采用耐温1000～1100℃的硬硅钙石型硅酸钙板做为钢结构防火板，火焰无法烧坏防火板，防火时间是由防火板的隔热性能、钢结构的散热性能和热容所决定的。而一般的防火涂料或防火板的防火时间是由材料的破坏速度所决定的。以树脂为粘结剂的防火涂料为了增加其阻燃性，还含有大量的氯和氟等元素，遇火时不但会释放出VOC类气体，还会释放出氟氯烃等强毒性物质。而由纯硬硅钙石组成的防火板，不但具有其它无机防火涂料的隔热性能和耐温性能，还在生产、存储、施工、服役以及遇火时不产生任何对人体有害的物质，属于全绿色防火材料。该防火板的另一个特点就是不存在涂料类材料常有的老化现象。有些专家认为美国世贸大厦的快速烧跨就与防火涂料的老化有关。
　　(4)硬硅钙石型硅酸钙防火板应用状况
　　硬硅钙石型硅酸钙防火板目前在我国尚处于开发试用阶段。但在日本、美国以及欧洲的钢结构防火中已被大量采用。我国港澳地区由国外承揽的钢结构工程中也使用较多。
　　钢结构建筑与传统钢筋混凝土建筑或砖木结构建筑相比，具有节省自然资源、环保水平高和易于产业化等特点，因此在世界各发达国家普遍发展较快。其中日本钢结构建筑占每年建筑竣工总量的30%、美国为35%、加拿大和欧洲各国平均在25%以上。我国目前钢结构建筑占每年建筑竣工总量的35%，但每年以15%的速度增长。其增长速度超过上述各发达国家。预计在未来10年我国钢结构建筑比例可达到20%左右。
　　目前全世界钢结构防火市场总量约为5亿米2年，总价值约200亿美元。日本在钢结构防火总量(200万米2年)基本不变的情况下，近5年硬硅钙石型硅酸钙防火板的用量平均以6%左右的速度在增长。目前已有近13的厚质防火涂料的市场被硬硅钙石型硅酸钙防火板所取代。"9.11"事件的发生又为全世界钢结构防火注入了更大的推动力，硬硅钙石型硅酸钙防火板的市场空间连续扩大。日本由硅酸钙板的出口国变为进口国。
　　我国近几年基本建设迅速发展。2001年竣工的工业、民用和公共建筑总量超过15亿米2，钢结构建筑总量约7500万米2，其中需要进行防火处理的钢结构面积约300万米2，钢结构防火总造价约6亿元，所用材料约10%依靠进口，90%由国内的200多家防火材料供应商或工程公司提供。硬硅钙石型硅酸钙防火板在我国的应用还刚刚开始。
　　2、硬硅钙石型硅酸钙保温材料在建筑领域的应用
　　目前我国建筑保温多采用聚苯乙烯泡沫塑料或矿棉、岩棉、玻璃棉等无机纤维质材料。
　　根据2000年悉尼奥运会绿色奥运监理会 Jo Immig等在"悉尼奥林匹克设施室内空气质量指南"中指出，聚苯乙烯和聚氯乙烯泡沫塑料会缓慢向室内散发甲醛、二甲苯和甲苯、氟氯烃等VOC物质，对室内空气质量有一定影响。而玻璃棉、矿棉、岩棉等材料在安装、使用和拆除建筑物时会产生纤维粉尘，这些硅酸盐玻璃态粉尘对人体的呼吸系统发病有很大影响。此外，泡沫塑料做为建筑用保温材料遇火时会释放出大量有毒有害物质。
　　其它基本不引起污染的建筑保温材料还有膨胀珍珠制品、膨胀蛭石制品以及加气混凝土、陶粒制品、石膏制品等。这些保温材料由于导热系数较高，很难满足目前建设部和国家其它部门对建筑节能的要求。而超轻硬硅钙石型硅酸钙保温材料不但具有很低的导热系数(≤0.045WmoK)，而且具有吸音、防火等多种功能。无论是在生产过程还是在建筑物建设或拆除过程中或是使用过程中均不产生对人体有害的物质，是一种全绿色的保温材料。随着我国人民生活水平的不断提高，大中型城市房地产的不断升值和人们对建筑物的环保要求越来越高，必定会为硬硅钙石型硅酸钙保温材料在建筑上的应用创造巨大的市场空间。如果全国有110的建筑采用此材料，则每年也可以有近100万立方米的市场。
　　3、硬硅钙石型硅酸钙保温材料在高温工业窑炉和其它热工设备上的应用
　　这一领域是硬硅钙石型硅酸钙保温材料应用的传统领域，包括冶金、化工、石化、建材、轻工、机械、电力等众多的工业领域。由于硬硅钙石型硅酸钙保温材料与普通硅酸铝耐火纤维制品具有相同的使用温度范围，因此自该材料一问世也就是在与耐火纤维制品的竞争中逐步占领市场。在较低的使用温度区间(800℃以下)还有泡沫石棉、膨胀珍珠岩制品、海泡石制品、膨胀蛭石制品等与其竞争。但硬硅钙石型硅酸钙保温材料以其优异的保温性能(在800℃以上条件下，该材料比相同厚度耐火纤维制品节能10～20%)和对人体健康的友好性占领了越来越大的市场空间。硅酸铝耐火纤维已于1998年由欧共体投票定为二类致癌物质，但由于还没有找到可以完全替代它的产品，因此到目前为止只有少数部门开始禁用。硬硅钙石型硅酸钙保温材料的另一个竞争对手就是使用温度在1000℃以下的轻质耐火砖。该材料比轻质耐火砖的导热系数低50～90%，因此从节能的角度上看该材料应该很快取代这一类轻质耐火砖。但其单位体积的制造成本要比轻质耐火砖高40～60%，因此许多新建工程从一次性投资的角度还是坚持使用轻质耐火砖。但近年来能源的不断涨价使越来越多的用户来选用硬硅钙石型硅酸钙保温材料。目前我国年生产的约5万立方米的硬硅钙石型硅酸钙保温材料，70%以上是在高温工业窑炉或其它热工设备上使用的。
　　
　　四、硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料
　　
　　超级绝热材料是指导热系数小于"静止空气"的绝热材料。该类绝热材料目前在我国尚处于实验研究与工业实验的中间阶段。由于气孔尺寸小到纳米级，主要产生如下纳米效应：当轻质材料中的气孔尺寸小于50纳米时，气孔中的空气分子就失去了自由流动的能力，因此相当于抽了真空，称为"零对流效应"。由于材料的体积密度较小，气孔尺寸很小，这时气孔壁的数目趋于"无穷多"。对于每一个气孔壁来说都具有遮热板的作用，因而产生近于"无穷多遮热板"的效应，从而使辐射传热下降到最小的极限。由于近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体中传递时就只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构成了近于"无穷长路径"效应，使固体热传导的能力下降到接近最低极限。
　　硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料用于建筑保温所需厚度只有现有无机绝热材料的13左右，厚度的减小可解决目前工程上需要克服的许多技术上的难题。将其用于整体房屋可以使房屋隔热层的总体积减少60%以上，并能克服传统绝热材料在环保和影响人体健康等方面存在的很多弊端(如有机材料的VOC问题和纤维状粉尘对人体呼吸系统的影响)。该材料在建筑物拆除时可单独回收或与整体构件一起回收，成为高效节能的全绿色产品。将硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料用于钢结构防火可使防火时间从目前一般厚质防火涂料的2小时左右延长到15小时，给灭火赢得充足的时间。将该材料用于太阳能热水器，可使其集热效率提高一倍以上，而散热损失下降到现在的30%，该材料还在航天、航空、核潜艇、导弹驱逐舰和商用航海等领域以及在高温窑炉、高温管道的工业领域具有广泛的应用前景。
　　硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料主要由具有纳米直径的硬硅钙石纤维状晶体及其中空二次粒子构成的骨架材料和具有纳米孔结构的二氧化硅气凝胶复合而成。
　　
　　五、结论
　　
　　从以上讨论可以看出，硬硅钙石型保温材料以其高标准的人体健康友好性和其优良的隔热性、耐高温性以及良好的装饰性(高强板材)和高的比强度等特点，在钢结构防火领域和建筑保温领域有着巨大的现存市场空间和未来市场空间。在工业领域也还有很多部位有待开发。硅酸钙复合纳米孔超级绝热材料的问世，又会为这一优异的材料注入新的活力，并有可能引起保温材料产业的一次跨越式发展。