随着国家“双碳”战略的深入实施，如何减少建筑 领域能源消耗是实现“双碳”目标的重要内容之一。据 统计，全球建筑消耗的能源占总能源消耗的40%左右， 建 筑 运行所需能源主 要来源于建 筑物的冷热能源需 求，因此如何降低建筑物热量流失是减少建筑物能源 消耗的主要方法，而建筑围护结构产生的热量流失是 建筑物能源流失的主要方式之一[1]。建筑围护结构引起 的热损失可以占到建筑运行过程中能源消耗的50%以 上。因此，提高围护结构的绝热能力可以有效减少热量 损失，对于实现建筑节能具有至关重要的意义。目前， 建筑围护结构中常见的建筑隔热材料分为有机隔热材 料和无机隔热材料，无机隔热材料具有防火的性能优 势，但存在隔热层较厚、易开裂、隔热效果一般和密度 大等问题。有机隔热材料具有隔热性能好，防水等优 势，但防火等级较低，燃烧后易产生有害物质，耐久性不 佳等问题，使其应用具有局限性。 气凝胶保温材料作为一种新型的无机保温材料，具 有良好的稳定性和隔热防火性能，近年来开始逐渐应用 于建筑领域[2]。因此，研究和制备一种以气凝胶为主要填料，辅以成膜物质、助剂和辅助填料的新型绿色复合 隔热材料具有重要意义。本文针对成膜物质种类进行 研究，并进一步探究不同成膜物质对二氧化硅气凝胶 复合隔热材料的保温隔热性能、力学性能及微观形貌 的影响。

复合隔热材料的制备 

本文从产品特性角度出发，综合考虑乳液黏度、玻 璃化转变温度及成膜特点，分别选取2种醋酸乙烯酯- 乙烯共聚乳液、2种苯丙乳液、1种丁苯共聚乳液、1种硅 丙乳液开展本试验研究。 根据前期研究结果及经验，按如下步骤和工艺条 件制备复合隔热材料：按10∶0.52∶0.1比例，分别称取 空心玻璃微珠、白炭黑、气凝胶、PP 纤维混合后低速 （100~150r/min）分散5min，得到混合粉料。再另外按 1∶1称取成膜物质和离子水，然后加入适量外加剂混合 后中速（200~250r/min）分散5min得到混合液体，然后 按质量比10∶9，缓慢将混合液体倒入混合粉料，边倒入 边保持高速（300~400r/min）分散5min，随后降低转速 至150r/min，缓慢加入羟乙基纤维素醚并适当调节用水 至合适的黏度即得到二氧化硅气凝胶复合隔热材料，制 备工艺流程图如图1所示。

性能测试与表征 

各成膜物质根据GB/T 1727-2021《漆膜一般制备 法》在室温下固化得到涂膜样品，依据GB/ T 1040.1- 2006《拉伸性能的测定 第1部分：总则》对所得膜特性 进行分析。复合隔热材料样品在厚1cm、长15cm正方体模具中成型制得导热系数测试板，依据GB/ T 10294- 2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板 法》测试其导热性能。参考JGJ/T 70-2009《建筑砂浆 基本性能试验方法标准》中拉伸粘结强度试验方法测 试复合隔热材料粘结拉拔强度。按照GB/T 20473-2021 《建筑保温砂浆》测试其软化系数。采用傅里叶红外光 谱仪、偏光显微镜对成膜物质基团及膜形貌进行分析 表征。采用扫描电子显微镜、差示扫描量热仪对复合隔 热材料的微观形貌和耐高温性能进行分析测试。

成膜物质的特征分析 

在光谱中，可见光和近红外区域（0.4~2.5μm）的 能量占总能量的90%以上。因此对于复合材料来说，成 膜物质应尽量在可见光及近红外区域拥有较低的吸收 率，在结构上因尽量减少羟基（-OH）、羰基（C=O）及 醚基（C-O-C）一类结构。另外，为保证复合隔热材料 良好的粘结性能和耐久性能，成膜物质还必须兼顾较 高的硬度、耐水性和耐热性。 图2是A、B两种醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液和丁苯 乳液的红外谱图。

从醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的红外图谱可知， 3 350cm-1处的吸收峰为-OH键的伸缩振动特征峰，相 较于一般的-OH吸收峰，该特征峰较宽且向低波数发 生了位移。2 950cm-1附近的吸收峰为-CH2-及-CH-键 的伸缩振动特征峰，1 730cm-1处属于酯羰基C=O键的 伸缩振动吸收峰，在1 370cm-1处则属于羟基弯曲振动 峰，同时在1 230cm-1、1 016cm-1处存在酯羰基（C=O） 的特征峰，同时证明了该种乳液是由醋酸乙烯酯及聚乙烯醇共聚改性得到的，两者区别主要在于共聚后-CH2- 及-CH-的链长短。从丁苯乳液的红外图谱可以观察到， 698cm-1、755cm-1为芳香取代物的伸缩振动峰，965cm-1 为丁二烯上的C=C双键的伸缩振动峰，1 448cm-1为羧基 上-OH键的面内弯曲振动特征峰，1 492cm-1和1 601cm-1 为苯环上C=C双键的伸缩振动峰，2 920cm-1与2 848cm-1 为-CH2-及-CH-键的伸缩特征峰，因此说明该丁苯乳液 为羧基改性的丁苯共聚乳液。 

图3是A、B两种苯丙乳液和硅丙乳液的红外图谱， 从 A、B苯丙乳液图谱可知，2 959cm-1为-CH3的伸缩 振动吸收峰，2 871cm-1为-CH2-的伸缩振动吸收峰， 1 725cm-1为丙烯酸脂类酯基C=O的拉伸振动吸收峰， 1 451m-1为苯环骨架的振动吸收峰，1 156cm-1为丙烯酸 酯中醚键C-O-C的拉伸振动吸收峰，698cm-1和760cm-1 为苯环上C-H的振动吸收峰[3]。从硅丙乳液的红外图谱 可以看到，同样在2 949cm-1和2 871cm-1处存在甲基和亚 甲基的伸缩振动峰，1 728cm-1处为丙烯酸酯类酯羰基 C=O的伸缩振动峰，1 137cm-1处为甲基丙烯酸甲酯中醚 键C-O-C的对称伸缩振动峰，752cm-1处存在少量有机 聚硅氧烷-Si（R）2O-的特征吸收峰，可以说明该硅丙乳 液中含有有机硅氧烷链段。

成膜物质的表面形貌分析 

图4是各成膜物质成膜后放大100倍的微观形貌图， 从图4中可以看出A、B两种醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液胶 膜较为整齐均一，凹陷较少，胶膜连续性较好，可以说明 该种乳液是软相乳液。从丁苯乳液的胶膜显微图像可以 发现，虽然胶膜整体仍较为连续，但已经出现了明显的 褶皱与起伏，这是由于乳液体系中存在部分硬相粒子，当 硬相粒子占比增多时，其堆积导致了胶膜的褶皱，证明该乳液的刚度相对醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液更大，且耐 候性更好。观察苯丙A和苯丙B两种乳液胶膜，可以明显 看到，胶膜上存在明显的断面，均为脆性断裂，且苯丙A 比苯丙B乳液的断面更为显著，这是由于该种乳液硬度 更高，胶膜变脆造成的[4]。从硅丙乳液胶膜的微观形貌 中可以发现，硅丙乳液拥有最多的断面，且断面棱角更 为立体，证明脆性是6种成膜物质中最大的。

不同成膜物质对复合隔热材料导热系数的影响 

图5为不同成 膜物质下制得的复合隔热材料 导热 系数，对比可以发现选用苯丙A乳液的复合隔热材料 具有最低的导热系数，低至0.048 8W/m·K，而同样使 用苯丙B乳液的复合隔热材料具有最高的导热系数，达 0.064 1W/m·K，两者导热系数相差31%。

使用硅丙乳液的复合隔热材料和使用丁苯乳液的 复合隔热材料导热系数基本相同。而同样使用两种不 同醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的复合隔热材料的导热系 数分别为0.050 9和0.052 9W/m·K。由以上可知，在填料 用量和种类完全相同的条件下，选用不同的成膜物质制得的复合隔热材料导热系数大致为0.05W/m·K左右， 而其中出现明显偏离这一数值的样品，需要结合样品的 微观形貌（SEM）进一步分析其偏差原因。

不同成膜物质对复合隔热材料微观形貌的影响 

图6是6种不同成膜物质制得的复合隔热材料扫描 电镜图，从图中可以看出，在硅丙、苯丙A、丁苯、醋酸 乙烯A、醋酸乙烯B样品中，二氧化硅气凝胶和空心玻璃 微珠等一类填料物质被胶膜较为完整地包覆起来，没 有发生团聚现象，证明各填料在复合材料体系中分散良 好。观察苯丙A样品微观形貌可以发现，膜结构将填料 物质包覆得最为完整，而气凝胶和空心玻璃微珠在胶膜 的包覆下形成致密的隔热空腔，因此苯丙A样品的导热 系数相较其他样品更低。同样的，苯丙B样品中可以观 察到膜结构出现较多的破碎，其中的气凝胶和空心玻璃 微珠没有受到较好的包裹，造成宏观上导热系数的升 高。这可能是由于苯丙B乳液在成膜过程中产生的塑性 收缩较多，发生膜结构的脆性断裂，造成膜结构与填料 未能较好地结合。另一方面，苯丙B乳液与疏水结构气 凝胶表面结合效果不佳，造成膜包覆结构的进一步破 坏。硅丙乳液和丁苯乳液样品虽然可以观察到部分的 膜结构发生破裂，但是整体仍然可以较好地包覆气凝 胶等填料物质。醋酸乙烯A、B两种样品的胶膜包覆基 本没有观察到破裂，但可以发现其胶膜包覆气凝胶和 空心玻璃微珠等填料更为致密，降低了单位面积的孔隙 率，因此其导热系数相较苯丙样品稍高。

不同成膜物质对复合隔热材料粘结强度的影响 

图7为不同成膜物质制得的复合隔热材料的粘结强度，由于本产品最终使用场景为建筑物墙面，因此 参考建筑砂浆测试 方法测试其对混凝土墙面的粘结 强度，同时考虑成 膜物质自身的弹性模量，以此综合 判断成 膜 物质与复合 隔 热 材料 体系的 适配 程 度。从 图中可以看出，弹性模量最大（14.7MPa）的硅丙乳液 所制得的样品拥有最高粘结强度0.55MPa，而A、B两 种醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液弹性模量最小，分别为 6.9MPa和5.2MPa，所制得的复合隔热材料的粘结强度 分别为0.25MPa、0.10MPa。另一方面，弹性模量介于 7.7~10.2MPa之间的苯丙A、B乳液和丁苯乳液所制得的 样品粘结强度在0.39~0.49MPa。对于硅丙乳液样品，主 要是由于在硅丙乳液中引入的硅烷基-Si（R）2O-基团， 可以与水泥中的硅氧键Si-O-Si发生缩合反应，形成较 为牢固的化学键，因此表现为最高的粘结强度[5]。对于 苯丙、丁苯乳液制得的样品也具有较高的粘结强度，主 要是由于其分子中含有羧基类官能团，可以通过氢键或 离子键的形式与水泥水化产物（如Ca 2+离子）形成较强 的结合，增加有机分子在界面的附着力，同时羧酸基团 在接触水泥表面时也容易发生钙离子的配位作用，形成 钙盐，从而增强界面的粘结性，因此也表现出较高的粘 结强度[6]。相反，对于两种醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液， 虽然拥有较好的成膜效果，但由于胶膜弹性模量较低， 缺乏与水泥基体界面结合的能力，因此粘结强度较低， 对于复合隔热材料体系来说适用性不强。

不同成膜物质对复合隔热材料耐水性能的影响 

由于二氧化硅气凝胶复合隔热材料在建筑场景中 使用不可避免地会接触水或潮湿环境，因此测试其耐 水性能具有重要的意义，本试验参考建筑保温砂浆的 耐水性能测试方法，测试其泡水后与混凝土基板粘结 强度，并计算材料软化系数。图8展示了不同成膜物质制得的复合隔热材料泡水48h后粘结强度与软化系数。 从图6可以看出，硅丙乳液在泡水后仍然具有0.25MPa 的粘结强度，对应软化系数分别为0.45，表现出了最 好的耐水性能。而醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液A、B泡 水后强度仅为0.03MPa和0.02MPa，软化系数低至0.12 和0.2，耐水性能是6种成膜物质中最差的。另外，苯丙 乳液A、B和丁苯乳液则表现出介于两者之间的耐水性 能，对应软化系数分别为0.37、0.31、0.42。对于硅丙乳 液，其中含有硅氧键Si-O-Si，结构稳定，难以被水解， 且硅氧形成的疏水层能够阻止水分的渗透，因此耐水 性能最好[7]。对于苯丙乳液，虽然苯环具有较强的疏水 特性，但由于含有酯键-COO，长期与水接触仍会发生 水解，因此耐水性能表现一般。对于丁苯乳液，丁二烯 具有不饱和的C=C双键结构，具有一定的疏水性，但由 于其双键较易发生氧化，因此其耐水性和耐久性能也表 现不佳。而对于醋酸乙烯乳液，其分子中含有大量的酯 键-COO-，容易在水中发生水解生成醋酸和乙醇，因此 耐水性最差[8]。

不同成膜物质对复合隔热材料耐温性能的影响 

由于二氧化硅气凝胶复合隔热材料的使用场景为 建筑墙体，因此掌握其耐温性能，特别是掌握其热解特 性，对于指导该类材料在建筑领域的使用具有重要的 意义。图9是不同成膜物质制得的复合隔热材料的热重 曲线图，从图中可以看出，所有样品在220℃左右开始出 现第一阶段的质量损失，对于醋酸乙烯A、B乳液样品 来说，主要的重量损失来源是酯键-COO-的分解，生 成醋酸、乙醇和少量的水，在温度升高到420℃时基本 挥发完毕，耐温性能是6组样品中最差的。对于苯丙A、 B乳液样品，苯丙在220℃开始分解为苯、乙烯、苯乙烯 等单体，而后在350～440℃范围内进一步分解为苯基类化合物（如甲苯），表现出较好的耐温性能。对于丁苯 样品，220～350℃范围内是丁二烯和苯乙烯的分解，产 生乙烯、丙烯等小分子，由于烯类物质含有碳碳双键， 因此在350～440℃范围内继续出现双键的氧化裂解，产 生烃类物质，整体耐高温性最好。对于硅丙乳液样品， 220～380℃时丙烯酸酯类和烯烃类单体聚合物分解为 丙烯酸、乙烯、苯乙烯等物质，由于在硅丙乳液中存在 硅氧结构（Si-O-Si），在450℃才完全分解完毕，表现 出较好的耐温性能。

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