稻壳衍生生物硅气凝胶作为轻质添加剂用于水泥砌块热增益减缓

《Results in Materials》：Rice Husk-Derived Biosilica Aerogel as a Lightweight Additive for Heat-Gain Mitigation in Cementitious Blocks

　　

利用农业工业残留物开发热增益减缓建筑材料对于改善建筑围护结构性能同时促进循环材料利用具有重要意义。本研究评估了稻壳衍生生物硅气凝胶作为规模化水泥砌块的轻质添加剂。稻壳通过酸浸、洗涤、干燥和在550 °C下煅烧转化为无定形生物硅。所得前驱体通过碱溶解、酸中和、老化、洗涤、乙醇交换、冷冻和冷冻干燥转化为生物硅气凝胶。生物硅前驱体显示出特征性的Si-O-Si和Si-OH带，在22°至26° ^2θ之间的无定形XRD（X射线衍射）晕，富含Si和O的表面组成，BET（Brunauer-Emmett-Teller）表面积为256 m² g^-1，平均孔径为3.79 nm，总孔体积为0.32 cm³ g^-1。在测试的配方中，无添加剂的AG-SiO₂气凝胶显示出最低的表观密度，约为0.26-0.33 g cm^-3，并被选用于砌块规模评估。在户外暴露下，气凝胶改性砌块显示出比参考砌块更低的内部温度。AG-1.00配方实现了最高的热响应改善，在14小时测试中最大温度降低7 °C，平均ΔT为2.71 °C。这些结果支持了所提出的稻壳衍生生物硅气凝胶作为轻质添加剂用于热增益减缓的潜力。然而，在建筑规模应用之前，仍需要进行直接热导率、抗压强度、耐湿性和耐久性测试。

**研究背景与问题**
建筑行业对可持续材料的需求日益增长，利用农业工业残留物开发热增益减缓材料是提升建筑围护结构性能并促进循环经济的重要途径。传统水泥基材料因密度高、热绝缘性能差，限制了其在被动热管理中的应用。商业硅气凝胶虽具有优异隔热性能，但制备成本高、工艺复杂。稻壳作为富含无定形SiO₂的农业废弃物，可通过酸浸和煅烧转化为生物硅，进一步经溶胶-凝胶过程制备气凝胶。然而，将该生物硅气凝胶作为轻质添加剂用于水泥砌块并评估其热响应性能的研究尚不充分，且需平衡其隔热效果与力学强度、耐湿性等关键性能。本研究旨在合成稻壳衍生生物硅气凝胶，通过配方筛选将其掺入水泥砌块，在户外暴露条件下比较其热响应，为后续建筑应用提供初步验证。论文发表在《Results in Materials》。

**主要技术方法**
研究人员采用酸浸（HCl）和550 °C煅烧将稻壳转化为无定形生物硅前驱体；通过碱溶解（NaOH）、酸中和、老化、乙醇交换、冷冻和冷冻干燥制备生物硅气凝胶。筛选了三种配方：含纤维素（AG-CEL）、含聚乙烯吡咯烷酮（AG-PVP）和无添加剂（AG-SiO₂）。选择表观密度最低的AG-SiO₂气凝胶，以不同掺量（0.25、0.50、1.00 g/块）直接干混入水泥砂浆（水泥、砂、水）中，制成30块小砌块（约2 cm高、4.5 cm宽），并组装成三层结构。户外14小时热响应测试（6:45–20:50）中同时监测环境温度、湿度、太阳辐射和风速。表征技术包括SEM-EDX（扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱）、FTIR（傅里叶变换红外光谱）、XRD（X射线衍射）、XPS（X射线光电子能谱）和BET/BJH（氮气吸附-脱附）分析。

**研究结果**
**3.1 形态学分析**：通过SEM和HAADF-STEM观察到生物硅前驱体呈不规则聚集的纳米域，形成多孔分支形态。EDX显示Si和O为主要元素（32.82 wt%和40.99 wt%），Ca、Mg、P未检出，表明酸浸有效去除无机杂质。FTIR谱图显示Si-O-Si不对称伸缩（1090-1030 cm^-1）、Si-OH伸缩（950 cm^-1）等特征带。XRD显示22°–26° ^2θ的宽衍射晕，对应无定形SiO₂（ICDD PDF 29-0085）。BET表面积256 m² g^-1、平均孔径3.79 nm、总孔体积0.32 cm³ g^-1，证实了介孔特性。这些结果支持生物硅前驱体适于后续气凝胶合成。

**3.2 表面化学状态**：XPS高分辨率Si2p谱显示结合能位置对应SiO₂中的氧化硅，C1s谱显示少量残留碳（来自有机质未完全去除或空气污染）。全扫描谱显示O1s、Si2p、Si2s和C1s信号，表明表面主要为Si和O，确认了生物硅的氧化态。

**3.3 配方筛选**：AG-CEL表观密度约1.10 g cm^-3，AG-PVP约0.85 g cm^-3，AG-SiO₂最低（0.26–0.33 g cm^-3）。AG-SiO₂吸水率最高（5.19 g g^-1），表明其高亲水性，但低密度使其成为砌块测试的首选配方。研究人员指出，高吸水率预示了耐湿性挑战，需在后续研究中解决。

**3.4 初步热响应测试**：在60分钟短时测试中，含AG-SiO₂的砌块温度略低于参考块；15分钟和20分钟间隔测试中，温差约2–3 °C，支持了气凝胶的隔热潜力，但强调这些结果受结构几何和传感器位置影响，不可作为热导率值。

**3.5 规模化水泥砌块热响应**：14小时户外测试中，环境温度25.8–34.7 °C，太阳辐射峰值约843 W m^-2。在峰值加热时刻（14:13），参考块达到45 °C，而AG-0.25、AG-0.50、AG-1.00分别达到40、39.5、38 °C，对应最大降温5、5.5、7 °C。平均ΔT分别为1.21、1.58、2.71 °C。AG-1.00表现出最显著的降温效果，且呈掺量依赖性趋势。研究人员强调，这些数据为比较性热响应证据，而非标准热导率测量。

**3.6 额外热响应测试**：其他监测窗口也显示气凝胶改性块温度更低，尤其在中午高温时段，进一步验证了主要趋势。温差在早晨较小时，中午和下午增大，符合气凝胶引入热阻的预期。

**3.7 热传递解释**：基于示意图，研究人员提出AG-SiO₂通过增加热传递路径的曲折度，在纳米孔中利用Knudsen效应限制气体导热，从而降低内部热积累。但界面结合不良可能引入缺陷，影响力学完整性，需在后续研究中平衡。

**3.8 研究范围与验证路径**：当前研究为初步概念验证，室内热导率、抗压强度、吸水性、耐湿性、长期耐久性以及生命周期评估仍需进行。直接热导率测量（如护热板法）是首要实验优先项，机械和耐久性测试后才能确定最优配方。

**总结讨论与结论**
讨论部分强调，AG-SiO₂气凝胶的低温热响应潜力与其高吸水率、低力学性能之间的权衡，建议未来通过疏水表面改性、优化气凝胶-水泥界面来改善耐湿性和机械完整性。结论部分翻译如下：本研究表明，通过酸浸、煅烧、碱溶解、凝胶化、溶剂交换、冷冻和冷冻干燥，将稻壳转化为生物硅气凝胶的可行性。处理后残留物获得无定形结构、特征Si-O-Si和Si-OH振动带、氧化表面化学和介孔结构，证实其适于气凝胶形成。在评估配方中，无添加剂AG-SiO₂气凝胶表观密度最低，因此被选用于规模化水泥砌块。尽管其高吸水率表明需在后续研究中解决耐湿性，但低密度支持其用于初步热响应评估。户外砌块测试显示，所有含AG-SiO₂的砌块在热积累最大时段内部温度均低于参考块。AG-1.00在14小时测试中最大降温7 °C，平均ΔT 2.71 °C，表明稻壳衍生AG-SiO₂在温暖气候下建筑围护结构被动热增益减缓中的潜力。然而，其高吸水率可能限制潮湿或雨淋环境中的直接应用，当前结果应视为初步比较性热响应证据，而非建筑规模验证。未来工作应优先进行AG-SiO₂疏水表面改性、接触角及毛细吸收测量、干湿耐久性测试，以及气凝胶-水泥界面优化，以提高耐湿性和机械完整性。直接热导率、抗压和抗弯强度以及墙体规模性能也需在实际应用前评估。