超高的孔隙率、独特的纳米级别孔径和网络骨架结构，赋予二氧化硅气凝胶（SA）超高的隔热性能。但超高孔隙率必然会导致较低的机械性能，因此，通常引入纤维、有机物、聚合物对SA进行改性处理，以提升其综合性能。此外，在全球能源危机背景下，水性涂料因能够极大程度地降低挥发性有机化合物的排放，符合环保要求，受到人们的广泛关注。建筑能耗约占全球能耗的1/3，碳排放占比超70%，若10%建筑使用水性隔热涂料，年减碳量可达1.2亿吨。热量传递方式包括热传导、热对流和热辐射，SA因独特的三维网络和纳米孔隙结构，因而具有优异的保温隔热性能：“无穷长路效应”削弱热传导；纳米孔径限制气体热对流；高孔隙率阻挡热辐射。但其易碎性及在水性乳液中分散性差限制了其进一步应用。通过添加成膜助剂、分散剂等助剂及功能性填料，可改善这些问题。

SA是由纳米二氧化硅颗粒堆积而成的具有纳米级孔径且具有复杂网络骨架结构的固体材料，因其极高的比表面积、孔隙率和独特的网络骨架结构，能够有效地阻止热量传递，因此具有最优异的隔热性能。但其脆性和综合力学性能较低，成本较高，限制了其大规模应用，通过引入多种增强型材料能够对其力学性能、隔热性能、疏水等性能进行提升。

对于SA的改性处理可以分为两种方式：一种是原位引入改性剂，使其与湿凝胶共同生长，二者结合较为紧密、相容性好、改性效果更加明显；另一种是先制备成品SA，再引入纤维、聚合物、有机物等增强相对SA进行改性。前者改性后的SA均匀性高，且能够实现结构协同强化；后者的工艺灵活性高，改性后能够保持孔隙结构的完整性。通过改性处理能够制备性能更加优异的SA材料。

通过物理混合、原位引入、化学混合（化学气相沉积法）等方法将纤维引入SA中，可增强其力学性能及高温下的隔热性能。研究表明，掺杂纳米碳纤维（CNFs）可显著改善SA的导热性能、力学性能，降低导热系数并增强红外遮光效果。改性后的气凝胶在400 ℃下仍保持良好热稳定性。实验表明，当CNFs掺杂比例为0.5%（wt，质量分数，下同）时，复合气凝胶综合性能最优。CNFs的掺杂不仅提升了气凝胶的隔热性能，还保持了其高温稳定性，增强了其在隔热材料领域的应用潜力。由于纯SA对红外辐射具有较好的透过性，所以不适用于500～2000K的高温隔热场合。通过在SA基体中掺杂固体陶瓷或玻璃纤维材料，例如氧化铝和氧化硅，可以有效减少热辐射的透过，从而提高其在高温环境下的隔热性能。

SA具有纳米级孔隙结构，是优秀的保温隔热材料，有机物改性能够增强SA的机械性能、疏水性能及孔结构的调控，形成分级孔结构进一步增强隔热性能。引入方法分为直接共混、表面接枝和原位聚合，目前主要是对SA改性后性能的增强、相容性分散性的提高、热稳定性的提升、干燥工艺的精进进行研究。

SA因较低的力学性能限制了其大规模应用，可通过引入聚合物与其发生共聚反应。聚合物通过化学键和物理缠绕与SA颗粒结合，不仅能够在其骨架结构中镶嵌活性位点，而且二者之间的有机交联还能够增强气凝胶的力学性能。反应后，聚合物包覆在气凝胶的表面，极大地提升了二者的相容性，部分柔性聚合物还能够填充气凝胶的大孔，减少热对流。但将聚合物引入SA内部，会因聚合物侵蚀而造成孔隙堵塞和内部结构的破坏，通过采用二次薄膜封装制备成水性隔热涂料可消除聚合物对气凝胶的侵蚀。

SA具有超低密度、热导率、高孔隙率及高比表面积等优异特性，其保温隔热性能显著优于多种保温隔热材料，但SA具有脆性和易碎的缺点，限制了其大规模的生产和应用。

将SA作为填料添加至水性乳液中，并加入一系列助剂及功能性填料制备水性隔热涂料，能够极大地改善水性涂料的隔热性能，但其在水性乳液中的分散性、易团聚性及其在分散过程中孔隙结构的破坏，都是需要解决的问题。为此，在涂料制备过程通过加入分散剂、润湿剂、成膜助剂等一系列助剂来提升SA在水性涂料中的均匀分散性，并添加功能性填料来改善涂层的综合性能。另一方面，目前制备的SA大多为表面带有疏水基团的疏水型SA，导致其在分散之前需要进行表面化学/物理亲水改性，以提升其在涂料体系中的分散性。

SA水性隔热涂料具有环保性能优异、施工便捷、透气性好及隔热性能可控等优势，适用于建筑外墙及室内的节能改造。其制备过程：首先利用分散剂、润湿剂制备SA分散浆，通过静电斥力来防止颗粒的团聚；利用硅烷偶联剂、表面活性剂对其进行表面化学/物理亲水改性处理；引入成膜基质，起到支撑骨架并粘结SA形成稳定均匀涂膜的作用；最后添加功能型填料，增强SA涂层的力学性能、隔热性能、阻燃性能等。

将SA作为填料分散到水性涂料中，能够极大地改善其隔热性能。成品SA大多为疏水型，为提升疏水SA在水性涂料中的分散性，可引入一系列助剂或对SA进行表面亲水改性，以均衡其亲水、疏水性，提升均匀分散程度。

2.2.1 亲水表面物理改性

表面物理改性通过表面活性剂，利用疏水基团吸附SA、亲水基团结合水分子，调控SA与水性溶液的界面相容性。其活性由亲水亲油平衡值（HLB）决定：HLB升高时，亲水性增强。常用分散润湿剂的HLB为7～18。针对弱碱性水性涂料体系，选择阴离子型和非离子型表面活性剂，二者在SA表面形成双层静电层，通过静电斥力抑制颗粒团聚，并与表面基团形成氢键增强界面结合力，最终提升涂层的分散均匀性及稳定性。

2.2.2 亲水表面化学改性

常用硅烷偶联剂对疏水SA进行表面化学改性，其作用机理为硅烷偶联剂水解后形成硅羟基，与SA反应，引入亲水基团羟基，从而增强其表面亲水性。例如通过添加KH-550，在引入羟基的同时引入氨基基团，进一步增强SA的表面亲水性。

通过聚合物改性、纤维改性、反射辐射填料改性，以及阻燃剂的添加可制备应用于不同场景的不同类型的SA水性隔热涂料，包括反射型涂料、辐射型涂料、阻隔型隔热涂料、阻燃涂料等类型。

SA的纳米级孔径能够形成多重光散射界面，对可见光和近红外光进行反射，反射率可达90%以上，能够极大程度地阻隔太阳光能量的传递。将SA作为填料加入水性涂料中能够极大地提升涂料的隔热性能，同时，通过添加高反射率填料（如金红石型TiO₂、空心玻璃微珠等）来进一步改善涂料的反射效率。

金红石型TiO₂颗粒在可见光-近红外波段（400～1100nm）的反射率高达90%。空心玻璃微珠具有极低的导热系数0.07 W/m∙K，将其添加入水性涂料，能够调节涂料的隔热性能及反射性能。SA在近红外区域的反射率较低，而太阳辐射中近红外光占50%左右的能量。将复合涂料作为表层反射涂料、水性涂料作为底层隔热涂料，二者协同作用能够最大程度地提升涂料体系的反射、阻隔隔热性能。

水和二氧化碳对8～13.5μm波段的光吸收很弱，在这个波段的光被辐射后能够直接穿过大气层进入外层空间，不会被大气吸收或者反射，这个现象被叫做大气透明窗口。通过在涂层中添加SA、炭黑、陶瓷微球和Fe₂O₃及一系列金属氧化物填料，能够将太阳光吸收并转换为波长为8～13.5μm的光发射到大气中去，从而有效阻隔太阳光中的热量传递。

通过研究多种填料对阻隔型隔热涂料的性能影响发现，将SA作为填料进入水性涂料中能够显著增强涂料的隔热性能，且显著优于多种填料，如空心玻璃微珠、陶瓷微珠等。但单独使用SA作为填料会导致涂层的收缩率较高，使导热系数下降、成本过高。SA在水性涂料中的分散性和力学强度是影响涂料隔热性能的主要因素，通过引入高红外反射散射填料、相变材料，或进行硅烷偶联剂改性、聚合物改性，能够进一步增强涂料的隔热性能。聚合物能够提升SA涂层的热稳定性，并对其隔热性能进行调控，但其易进入气凝胶内部破坏内部孔隙结构，进而导致隔热性能大幅下降。

SA的孔径尺寸小于空气分子的平均自由程，无法形成空气对流，阻止了可燃性材料与空气接触，并且其具有极低的导热系数，使得材料无法达到着火点，进而实现阻燃效果。

SA作为水性涂料填料可显著提升隔热性能，但其分散性与孔隙结构需通过助剂添加或表面亲水改性（如KH550处理）优化。在此基础上，引入辐射反射填料（TiO₂、空心玻璃微珠）增强红外反射率，并添加玻璃/植物纤维提升力学强度。SA水性隔热涂料的涂抹方式分为两种：一是将涂层分为底、中、表三层涂覆施工，底层为与施工基材附着性强的材料，并加入亲水改性剂来增强与中层气凝胶涂料的结合，表层涂覆辐射反射涂料；将遮光剂均匀分散至水性乳液中，并引入疏水、力学改性材料来增强与环境直接接触的面层的耐水及机械强度。二是将改性剂直接引入SA涂料中，进行一步涂覆，其综合性能不如分层涂覆施工，但施工较为简便，成本较低。前者应用于高端建筑、工业设施等一系列对涂料性能要求较高的建筑，后者则适用于日常建筑施工。

SA作为隔热性能优异的材料，拥有其他保温隔热材料所不具备的轻质、低密度、高孔隙率、超高比表面积等优点，在制备及改性处理领域取得显著进展，广泛应用于航空航天、建筑结构隔热、管道隔热、新能源电池等诸多领域。由于具有出色的隔热性能，将其分散至水性乳液中并加入一系列助剂制备水性隔热涂料，能够极大地提升涂料的保温隔热性能。

目前SA在涂料体系中的易团聚问题还没有得到根本解决，导致气凝胶涂料的性能受损，主要的研究方向为提高SA的亲水性能，从而提高其在水性乳液中的分散性能。在此前提下对SA进行力学强度和隔热性能的改性处理和二者的平衡性处理，在增强SA力学性能的同时保持隔热性能，并对其辐射反射性能、隔热性能进行改性处理，通过优化成膜基质、助剂配比和种类选取来提升隔热涂料的综合性能。

来源：《化工新型材料》2026年第5期