《Journal of Building Engineering》：Highly optically selective porous calcium silicate composite SiO
2 aerogel coating with excellent thermal barrier performance for building insulation
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本研究通过水热法制备高孔隙率多孔硅酸钙（PCS），并将其与二氧化硅气凝胶复合制备新型建筑隔热涂层。实验表明，当PCS含量为6%时，涂层热导率降至0.0401 W/(m·K)，较传统材料降低24.4%；3mm厚涂层热阻达0.61 (m2·K)/W，等效于30.5mm传统聚苯乙烯泡沫板。红外光谱证实Si-O-Si基团在8-13μm窗口具有0.97高发射率，结合PCS的多级散射结构实现0.92太阳能反射率，通过有限元模拟验证了可见光反射与热阻协同增强效果。该复合涂层为四季适用的建筑节能提供了创新解决方案。
成海旺|荣坤芳|李宏昌|常宝汉|于航曦|德才芳|闫楠楠|慧燕|全江
教育部先进功能材料重点实验室，国家低碳材料回收重点实验室，北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124，中国
摘要：
在提高建筑围护结构的热绝缘性能方面，涂层产品具有许多优势，如节能、低成本和施工方便。设计和开发具有高隔热能力的热绝缘涂层对于建筑节能非常重要。本文通过水热法制备了具有高孔隙率和高比表面积的多孔硅酸盐（PCS），并利用其特殊的孔结构和Si-O-Si基团在特定波段的红外吸收特性设计了热绝缘涂层。结果表明，当PCS的添加量为6%时，涂层的导热率为0.0401 W/(m·K)，而不含PCS的涂层导热率为0.0456 W/(m·K)。此外，该涂层在大气窗口8～13 μm处的太阳反射率和发射率分别为0.92和0.97。将涂层涂在3毫米厚的铝板上，并用荧光灯连续照射25分钟后，热绝缘温差达到73.3°C，而空白铝板的温差仅为-1.5°C。厚度为3毫米的涂层的热阻为0.61 (m2·K)/W，相当于厚度为30.5毫米的传统热固性改性聚苯乙烯泡沫板的性能。有限元分析模拟显示，PCS显著增强了涂层的可见光反射率和隔热性能。我们的工作可能为建筑节能的热绝缘涂层设计提供新的策略。
引言
能源消耗和气候变化是21世纪人类面临的两大问题，节能的重要性和紧迫性日益突出。调查报告（《2024年中国城乡发展领域的碳排放研究报告》）指出，2022年建筑行业的能源消耗占社会总能源消耗的44.8%。建筑物的运行和使用过程中消耗了大量能源，其中70～80%的能源损失是由于建筑围护结构的隔热性能差造成的[1]，[2]。对于建筑隔热而言，隔热涂层可以有效防止热量传递，减少建筑物内外部的热交换，从而降低室内能源消耗。此外，隔热涂层还具有低成本、施工方便和环保等优点，因此在建筑隔热领域具有广泛的应用前景[3]，[4]。
建筑隔热涂层可分为反射型、辐射型、阻隔型和复合型涂层[5]，[6]，[7]，[8]，[9]。反射型涂层通过反射阳光来减少基材对太阳辐射能量的吸收，其太阳反射率可超过90%，从而降低制冷能耗[10]，[11]，[12]，因此它们在夏季炎热的地区得到广泛应用。反射型涂层的设计基于高光散射效率的微观结构以提高太阳反射率[13]，[14]，[15]。韩等人[16]开发了一种含有多孔SiO?气凝胶（约4%）的水基涂层，其太阳反射率高达94%，导热率为0.0854 W/(m·K)。然而，高导热率显著影响了其隔热性能，因为外部热量会通过涂层迅速传递到内部，导致较高的制冷能耗。对于辐射型涂层，吸收的热量可以通过大气窗口（8～13 μm）以红外辐射的形式释放到空间中，实现无需能耗的制冷[17]，[18]，[19]。辐射型涂层的设计通常基于在8～13 μm波段具有强吸收能力的分子结构和化学键，以提高在大气窗口的发射率[20]，[21]，[22]。唐等人[17]通过引入十二烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸甲酯（热红外发射组分）制备了一种具有热适应性辐射冷却性能的异质多孔纳米复合膜（HENF），HENFs在8～13 μm波段的发射率为96.5%，反射率为97.3%（0.3～2.5 μm）。然而，该研究未考虑导热率对隔热性能的影响。这类辐射型涂层通常具有较高的导热率（或隔热性能较差），在抑制由热传导引起的建筑物温度变化方面效果不佳[18]，[19]，[23]。阻隔型隔热涂层主要通过低导热率来阻止热量传递，从而实现优异的隔热性能[24]，[26]。王等人[24]通过调整二氧化硅气凝胶涂层（导热率范围为0.025～0.030 W/(m·K)）的导热性能，实现了按需热管理（ODTM），在白天可产生5°C的温差。陈等人[26]证明，在上海，阻隔型隔热涂层的热阻应超过0.11 (m2·K)/W才能达到良好的节能效果。总体而言，阻隔型涂层在光学性能方面受到的关注较少。
目前，尽管反射型和辐射型涂层可以有效减少建筑物的热量吸收以实现节能，但它们仅适用于夏季炎热的地区。对于阻隔型涂层，虽然它们具有良好的隔热性能（低导热率），可以用于寒冷冬季的建筑隔热，但其反射率或发射率通常较低，导致夏季的制冷效果不佳。因此，建筑市场迫切需要同时具有高反射率、高发射率和低导热率的复合涂层，以满足夏季或冬季的建筑节能需求。
目前，气凝胶被认为具有最佳的热绝缘性能，SiO?气凝胶已广泛应用于建筑隔热领域。研究表明，SiO?气凝胶可以大大降低涂层的导热率，但其超疏水性和大体积堆积会导致涂层流动性差和施工问题，从而导致涂层结构松散和强度降低，因此需要严格控制添加量[27]，[28]，[29]。多孔硅酸盐（PCS）是一种具有高孔隙率和高比表面积的纳米多孔材料，PCS中的Si-O-Si键在1000 cm?1波长处具有强红外吸收能力，使其在8～13 μm波段具有高红外发射率[30]，[31]。此外，PCS的高孔隙率还使其具有高的光散射能力，表现出明显的多级散射效应，从而赋予涂层高的太阳反射能力[32]，[33]，[34]。另外，PCS还具有低导热率、高纳米活性和亲水性，可以降低涂层的导热率，可能弥补气凝胶对强度性能的负面影响[35]，[36]，[37]，[38]，[39]。因此，SiO?气凝胶和PCS的结合有望解决传统建筑涂层无法同时实现良好反射率、发射率和导热率的问题，进一步提高建筑物的能源效率。
本文开发了一种含有SiO?气凝胶和PCS的复合隔热涂层用于建筑隔热。PCS的多孔结构形成的多级散射效应显著提高了涂层的反射率，而PCS中含有的Si-O-Si基团在红外吸收功能的作用下使涂层在大气窗口（8～13 μm）具有高发射率。同时，少量的SiO?气凝胶可以有效降低复合材料的导热率而不影响其强度，从而提高其隔热性能。结果，该涂层的太阳反射率和半球发射率分别为0.92和0.95，大气窗口（8～13 μm）的发射率达到0.97。含有6% PCS的涂层导热率为0.0401 W/(m·K)，厚度为3毫米的涂层热阻达到0.61 (m2·K)/W。采用有限元分析（FEA）模拟并验证了PCS对涂层可见光反射率和隔热性能的影响。这项研究为建筑隔热涂层的设计提供了新的思路。
原材料
SiO?气凝胶来自华阳新材料科技有限公司，SiO?气凝胶的物理性能见表S1。多孔硅酸盐在实验室中合成，其化学成分和物理性能分别见表S2和表S3。TiO?（金红石型）购自山东友索化学科技有限公司。改性丙烯酸乳液（SR-01）、润湿剂、增稠剂、成膜剂和消泡剂也用于制备。
涂层设计与形态表征
理想的隔热涂层应具有高太阳反射率，以减少夏季炎热时的太阳辐射能量吸收，从而降低建筑表面温度；同时，低导热率可以防止基材吸收的热量传递到室内，而高大气窗口发射率可以快速散发吸收的热量，从而减少热量损失。
结论
我们利用多孔结构、红外吸收特性和隔热性能的优势，成功设计了含有多孔硅酸盐和SiO?气凝胶的隔热涂层。结果表明，含有6% PCS的涂层导热率为0.0401 W/(m·K)，优于传统的岩棉材料（0.042 W/(m·K)。样品的太阳反射率为0.92，大气窗口的发射率为...
作者贡献声明
荣坤芳：撰写——初稿，概念构思。
李宏昌：软件开发，方法论。
成海旺：撰写——初稿，数据整理，概念构思。
全江：项目管理，方法论。
闫楠楠：项目管理。
慧燕：资金筹集，概念构思。
于航曦：软件开发。
德才芳：方法论。
常宝汉：撰写——审稿与编辑，监督，资金筹集，正式分析
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了山东省高新技术企业创新能力提升项目（2023TSGC0422）的支持。
