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[摘 要]本文介绍了采用溶胶-凝胶法，以正硅酸乙酯为硅源，以玻璃纤维毡为基体材料，采用超临界C02干燥工艺，成功地制备了常温下导热系数为0.021W/（m.K）的玻璃纤维/二氧化硅气凝肢复合毡。结果表明：在满足最大允许热损失量的前提下，二氧化硅气凝肢复合毡所用的保温层厚度与玻璃纤维毡相比大幅度地减薄，空间节省率在40%～54%。二氧化硅气凝胶复合毡在对空间有严格要求的管道保温工程中具有较大的应用前景和优势。
[关键词]二氧化硅；气凝胶；管道保温；空间节省
中图分类号：TU995.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0085-01
引言
随着建筑能耗的迅速增加和国家对节能工作的进一步重视，占建筑能耗40%的供热系统的节能问题是重要课题。实现供热系统节能目标的重要途径是，选择合理的保温材料，选择科学的保温厚度，设计优化的保温结构。热力管道主要指的是用于输送热水或蒸汽等介质的管道。保温材料通常指的是导热系数在0.2以下的保温材料。大型项目的热力管网通常有长距离或超长距离的输送，热能在输送过程中不可避免的出现损耗和流失，对经济利益造成影响。
1、纳米气凝胶
随着环保节能意识的普遍提高，以及管网工程建设应对周边影响的降低要求，单纯采用玻璃棉、硅酸铝等保温材料已不能满足越来越高的热传输要求，最早应用于航天等领域的纳米气凝胶材料逐步进入热网保温材料的行列。气凝胶绝热毡是通过特殊的复合工艺，将具有极低导热系数的二氧化硅气凝胶与碳纤维或玻璃纤维等复合而成的柔性毯状新型保温材料，具有以下优点：1、卓绝的隔热性能：孔洞结构能够有效阻止热量传递，是目前导热系数最低的固体材料，为传统保温材料的1/3-1/5，保温厚度设于传统材料的1/4-1/5即可达到相同的外表温度，可大幅减少管道散热面积，从而减少热损耗。对于长距离输送管线，散热损失的减小可使管道终端介质温度提高，含水率下降，从而使终端用户的生产效率和产品质量得到有效提高；2、较长的使用寿命：优异的防水抗压性使其长达20年以上。3、热稳定性强：纳米三维网络结构提供了超凡的高温稳定性，隔热性能恒定持久。
2、二氧化硅气凝膠复合毡的制备
2.1 二氧化硅气凝胶复合毡的制备
取一定量的正硅酸乙醋溶于乙醇中，搅拌均匀后加人适量的盐酸，搅拌水解一定时间，待水解完成后加人一定量的氨水，搅拌一定时间后静置，形成反应溶液。通过控制溶液的pH值来控制溶液凝胶的时间。
2.2 导热系数测试
使用导热系数测定仪（DRH-V全自动双平板导热系数测定仪，湘潭仪器仪表公司）测试二氧化硅气凝胶复合毡的导热系数（图1）。
3、气凝胶毡的导热系数测试与分析
保温材料的导热系数受温度的影响。式（2-1）是玻璃纤维毡的导热系数温度方程。
通过测试二氧化硅气凝胶复合毡在不同温度下的导热系数，可以对比二氧化硅气凝胶复合毡与玻璃纤维毡的保温性能，如图2-1所示。由图可知，二氧化硅气凝胶复合毡的导热系数随着温度的增加，从25℃到3500C，导热系数从0.021W/（m.K）升高到0.043W/（m.K）。玻璃纤维毡的导热系数则随着温度的提升而显著提高，在25℃时为0.045W/（m.K），在350℃时为0.102W/（m.K）。
4、二氧化硅气凝胶复合毡的保温层厚度计算
按照GBT4272-2008中对于管道保温在不同热工条件的前提下最大允许热损失量的要求，按照常年运行（见表1）可以计算不同保温材料所使用的厚度。
保温管道热损失计算公式如式（3-1）所示：
式中：[Q]为最大允许热损失量，W/m2；as为保温层外表面与周围空气的换热系数，W/（m2.K）；Tj为管道的介质温度，℃；To为环境温度，室内平均气温200C；为保温材料的导热系数，W/（m.K）；d为管道的直径，mm；为保温层厚度，mm。
本文以室内的DN150热力蒸汽管道为例，计算不同介质温度下的保温层厚度。表2是根据最大允许热损失量分别计算得出的气凝胶复合毡与玻璃纤维毡在不同介质温度下的保温层厚度。
根据保温层的厚度和具体热工情况，可由公式（3-2）计算出管道保温结构外表面的温度。
式中：Tj为管道的介质温度，℃；T2为保温层外表面温度，℃；To为环境温度，冬天室内平均气温20℃；为保温材料的导热系数，W/（m.K）；d为管道的直径，mm；为保温层厚度，mm；as为保温层向外表面传热系数，一般取值11.63W/（m2.K）。
根据表3-2的计算结果，可以看出，二氧化硅气凝胶复合毡由于优异的保温性能，在同样介质温度的情况下，保温层外表温度基本一致，但是所用的保温层的厚度大幅度减薄。在100℃--350℃的热工条件下，管道保温层厚度节省率约40%--54%。对于施工空间有严格要求的工程，二氧化硅气凝胶复合毡具备明显的应用优势。
5、结论
（1）制备的二氧化硅气凝胶复合毡常温下导热系数为0.021W/（m.K）。在高温下仍有较低的导热系数，在350℃时为0.043W/（m.K）。
（2）在满足最大热损失量的前提下，二氧化硅气凝胶复合毡所用的保温层厚度与玻璃纤维毡相比大幅度的减薄，管道保温层厚度节省率约40%-54%。
（3）二氧化硅气凝胶复合毡在对施工空间有严格要求的管道保温工程中具有较好的应用前景和明显的优势。
参考文献
[1] 张原僖，赵建卿.气凝胶超级绝热材料应用研究[A].全国保温材料科技信息（网）协会、中国硅酸盐学会保温材料专业委员会.2016全国绝热节能科技创新技术交流会暨全国保温材料科技信息协会年会论文集（防腐与绝热特刊）[C].全国保温材料科技信息（网）协会、中国硅酸盐学会保温材料专业委员会：，2016：5.
[关键词]二氧化硅；气凝胶；管道保温；空间节省
中图分类号：TU995.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0085-01
引言
随着建筑能耗的迅速增加和国家对节能工作的进一步重视，占建筑能耗40%的供热系统的节能问题是重要课题。实现供热系统节能目标的重要途径是，选择合理的保温材料，选择科学的保温厚度，设计优化的保温结构。热力管道主要指的是用于输送热水或蒸汽等介质的管道。保温材料通常指的是导热系数在0.2以下的保温材料。大型项目的热力管网通常有长距离或超长距离的输送，热能在输送过程中不可避免的出现损耗和流失，对经济利益造成影响。
1、纳米气凝胶
随着环保节能意识的普遍提高，以及管网工程建设应对周边影响的降低要求，单纯采用玻璃棉、硅酸铝等保温材料已不能满足越来越高的热传输要求，最早应用于航天等领域的纳米气凝胶材料逐步进入热网保温材料的行列。气凝胶绝热毡是通过特殊的复合工艺，将具有极低导热系数的二氧化硅气凝胶与碳纤维或玻璃纤维等复合而成的柔性毯状新型保温材料，具有以下优点：1、卓绝的隔热性能：孔洞结构能够有效阻止热量传递，是目前导热系数最低的固体材料，为传统保温材料的1/3-1/5，保温厚度设于传统材料的1/4-1/5即可达到相同的外表温度，可大幅减少管道散热面积，从而减少热损耗。对于长距离输送管线，散热损失的减小可使管道终端介质温度提高，含水率下降，从而使终端用户的生产效率和产品质量得到有效提高；2、较长的使用寿命：优异的防水抗压性使其长达20年以上。3、热稳定性强：纳米三维网络结构提供了超凡的高温稳定性，隔热性能恒定持久。
2、二氧化硅气凝膠复合毡的制备
2.1 二氧化硅气凝胶复合毡的制备
取一定量的正硅酸乙醋溶于乙醇中，搅拌均匀后加人适量的盐酸，搅拌水解一定时间，待水解完成后加人一定量的氨水，搅拌一定时间后静置，形成反应溶液。通过控制溶液的pH值来控制溶液凝胶的时间。
2.2 导热系数测试
使用导热系数测定仪（DRH-V全自动双平板导热系数测定仪，湘潭仪器仪表公司）测试二氧化硅气凝胶复合毡的导热系数（图1）。
3、气凝胶毡的导热系数测试与分析
保温材料的导热系数受温度的影响。式（2-1）是玻璃纤维毡的导热系数温度方程。
通过测试二氧化硅气凝胶复合毡在不同温度下的导热系数，可以对比二氧化硅气凝胶复合毡与玻璃纤维毡的保温性能，如图2-1所示。由图可知，二氧化硅气凝胶复合毡的导热系数随着温度的增加，从25℃到3500C，导热系数从0.021W/（m.K）升高到0.043W/（m.K）。玻璃纤维毡的导热系数则随着温度的提升而显著提高，在25℃时为0.045W/（m.K），在350℃时为0.102W/（m.K）。
4、二氧化硅气凝胶复合毡的保温层厚度计算
按照GBT4272-2008中对于管道保温在不同热工条件的前提下最大允许热损失量的要求，按照常年运行（见表1）可以计算不同保温材料所使用的厚度。
保温管道热损失计算公式如式（3-1）所示：
式中：[Q]为最大允许热损失量，W/m2；as为保温层外表面与周围空气的换热系数，W/（m2.K）；Tj为管道的介质温度，℃；To为环境温度，室内平均气温200C；为保温材料的导热系数，W/（m.K）；d为管道的直径，mm；为保温层厚度，mm。
本文以室内的DN150热力蒸汽管道为例，计算不同介质温度下的保温层厚度。表2是根据最大允许热损失量分别计算得出的气凝胶复合毡与玻璃纤维毡在不同介质温度下的保温层厚度。
根据保温层的厚度和具体热工情况，可由公式（3-2）计算出管道保温结构外表面的温度。
式中：Tj为管道的介质温度，℃；T2为保温层外表面温度，℃；To为环境温度，冬天室内平均气温20℃；为保温材料的导热系数，W/（m.K）；d为管道的直径，mm；为保温层厚度，mm；as为保温层向外表面传热系数，一般取值11.63W/（m2.K）。
根据表3-2的计算结果，可以看出，二氧化硅气凝胶复合毡由于优异的保温性能，在同样介质温度的情况下，保温层外表温度基本一致，但是所用的保温层的厚度大幅度减薄。在100℃--350℃的热工条件下，管道保温层厚度节省率约40%--54%。对于施工空间有严格要求的工程，二氧化硅气凝胶复合毡具备明显的应用优势。
5、结论
（1）制备的二氧化硅气凝胶复合毡常温下导热系数为0.021W/（m.K）。在高温下仍有较低的导热系数，在350℃时为0.043W/（m.K）。
（2）在满足最大热损失量的前提下，二氧化硅气凝胶复合毡所用的保温层厚度与玻璃纤维毡相比大幅度的减薄，管道保温层厚度节省率约40%-54%。
（3）二氧化硅气凝胶复合毡在对施工空间有严格要求的管道保温工程中具有较好的应用前景和明显的优势。
参考文献
[1] 张原僖，赵建卿.气凝胶超级绝热材料应用研究[A].全国保温材料科技信息（网）协会、中国硅酸盐学会保温材料专业委员会.2016全国绝热节能科技创新技术交流会暨全国保温材料科技信息协会年会论文集（防腐与绝热特刊）[C].全国保温材料科技信息（网）协会、中国硅酸盐学会保温材料专业委员会：，2016：5.