制造气凝胶板的方法、气凝胶板及其用途

技术领域

本发明涉及气凝胶板的制造领域，更具体地，提供一种新型的制造气凝胶板的方法，通过该方法制造的气凝胶板及其用途。

背景技术

气凝胶材料因其低密度、高孔隙率和低热导性而在隔热应用中备受关注。由于炎热的夏季会大量使用空调，低热导性的气凝胶材料显示出降低建筑物高能耗的巨大潜力。为了实现超低的热导率和出色的隔热性能，可以使用单向冷冻浇注技术制造具有在预定方向排列的孔的各向异性气凝胶。尽管高度各向异性气凝胶在径向上的隔热性能非常有前景，例如其热导率低于24m Wm

包括冷源冷却速率和冷源与环境之间的温度梯度在内的几个因素会影响胶体溶液的凝固模式，进而会决定气凝胶中的孔排列。实际上，当使用单个冷源时，只能在几厘米内达到恒定的冷冻速度。可以使用双侧冷源在更长的距离上实现恒定的凝固速度。然而，具有均匀孔排列的气凝胶材料的尺寸仍然受到短冷冻长度的限制。现有技术中有几种用于大尺寸气凝胶的制造方法。然而，这些方法旨在使用底部冷源制造孔沿厚度方向排列的气凝胶，当它们用作隔热材料时，会促进屋顶与建筑物外部环境之间的热传导。因此，这些方法不适于制造用于建筑隔热的气凝胶材料。除了在厚度方向上的低热导性外，气凝胶还应能够有效地反射太阳光，以避免白天太阳辐射所致的热量增加。然而，现有技术报道的气凝胶的光学反射率并不理想，在实际应用中需要涂覆额外的反射涂层或饰面。

鉴于上述情况，本领域需要一种通用且操作方便的气凝胶板制造方法，其能够制造大尺寸、超低热导率和高光反射率的气凝胶板。

发明内容

如前所述，本领域需要一种具有垂直于厚度方向的均匀排列且彼此平行的多孔通道的大尺寸气凝胶板，其有助于实现厚度方向上的超低热导率和高的光反射率，进而能够作为建筑物外墙、屋顶的隔热材料等。基于此，本发明的发明人设计了以下气凝胶板的制造方法。

在本发明的第一方面，提供了一种用于制造气凝胶板的方法，包括以下步骤：

1)提供水基胶体溶液；

2)在冷冻模具中使用可移动的侧面冷源逐块地冷冻浇注所述水基胶体溶液，由此获得冷冻样品；

3)冷冻干燥所述冷冻样品，以获得气凝胶板。

在第二方面，提供了一种气凝胶板，所述气凝胶板具有平行于所述气凝胶板的平面的、孔径一致且均匀排布的孔通道。

在第三方面，提供了由第一方面所述的方法制造的气凝胶板或由第二方面所述的气凝胶板用于建筑应用如建筑物屋顶、外墙的用途。

本发明的有益之处在于：本发明的气凝胶板的制造方法操作简便且环保，不仅能够制造超低热导率和光反射率高的气凝胶板，而且突破了通常小于5厘米的实验室规模，能够实现大尺寸气凝胶板的制造，使其能够作为隔热材料适用于实际的建筑物隔热、保温等应用。

附图说明

本发明附图与本发明的实施例一起提供了对本发明的进一步解释，并且构成说明书的一部分。显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施方案，而并不构成对本发明的限制。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施方案。

图1示出了根据本发明的方法的一个实施方案的使用可移动的侧面冷源经冷冻浇注法制造气凝胶板的制造装置及其机制的示意图。

图2示出了根据本发明方法制造的气凝胶样品的数码照片和扫描电子显微镜(SEM)照片，其中A-I示出了气凝胶板的不同区域。

图3示出了根据本发明的一个实施方案的使用可移动的侧面冷源制造的气凝胶板的照片(a)、以及对该气凝胶板的横向尺寸(20×20cm

图4示出了根据本发明的一个实施方案的气凝胶板的不同区域的热导率和光反射率的测量。

图5示出了根据本发明的一个实施方案的气凝胶板样品的高柔韧性。

图6示出了自制WPU固体薄膜、涂有商业反射涂料的发泡聚苯乙烯(EPS)泡沫、基于二氧化硅(SiO

图7示出了根据本发明的一个实施方案的气凝胶板、具有高反射涂料(商用EPS)、基于二氧化硅(SiO

图8示出了根据本发明的一个实施方案的气凝胶板、具有高反射涂料(商用EPS)、基于二氧化硅(SiO

具体实施方式

在下文中，将结合附图对本发明进行详细的描述。需理解，以下描述仅以示例方式来对本发明进行说明，而无意于对本发明的范围进行限制，本发明的保护范围以随附权利要求为准。并且，本领域技术人员理解，在不背离本发明的精神和主旨的情况下，可以对本发明的技术方案进行修改。若并未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

除非另外定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所述主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。在对本发明进行详细描述之前，提供以下定义以更好地理解本发明。

在提供数值范围的情况中，例如浓度范围、百分比范围或比率范围，应当理解，除非上下文另有明确规定，否则在该范围的上限与下限之间的、到下限单位的十分之一的各中间值以及在所述范围内的任何其他所述值或中间值包含在所述主题内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，并且此类实施方案也包括在所述主题内，受限于所述范围中的任何特定排除的极限值。在所述范围包括一个或两个极限值的情况中，排除那些所包括的极限值中的任一个或两个的范围也包括在所述主题中。

在整个申请中，很多实施方案使用表述“包含”、“包括”或者“基本/主要由……组成”。表述“包含”、“包括”或“基本/主要由……组成”通常情况下可以理解为开放式表述，表示不仅包括该表述后面具体列出的各元素、组分、组件、方法步骤等外，还包括其他的元素、组分、组件、方法步骤。另外，在本文中，表述“包含”、“包括”或者“基本/主要由……组成”在某些情况下也可以理解为封闭式表述，表示仅包括该表述后面具体列出的各元素、组分、组件、方法步骤，而不包括任何其他的元素、组分、组件、方法步骤。此时，该表述等同于表述“由……组成”。

为了更好地理解本教导并且不限制本教导的范围，除非另外指出，否则在说明书和权利要求中使用的表示数量、百分比或比例的所有数字以及其他数值在所有情况下都应理解为由术语“约”进行修饰。因此，除非相反地指出，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数为近似值，其可以根据寻求获得的所需性质而变化。至少，每个数值参数应该至少根据所报告的有效数字的数值并通过应用普通的舍入技术来进行解释。

如上所述，对于实际的建筑隔热应用，本领域亟需一种通用且简便的气凝胶板制造方法，其能够制造有别于实验室规模(小于5厘米)的大尺寸、超低热导率和高的光反射率的气凝胶板，所制造的气凝胶板由此具有用作建筑物外部的隔热材料的潜力。

在本发明的第一方面，提供了一种用于制造气凝胶板的方法，包括以下步骤：

1)提供水基胶体溶液；

2)在冷冻模具中使用可移动的侧面冷源逐块地冷冻浇注所述水基胶体溶液，由此获得冷冻样品；

3)冷冻干燥所述冷冻样品，以获得气凝胶板。

在一个具体的实施方案中，所述水基胶体溶液包括：

-浓度范围为1重量％至10重量％的至少一个维度的尺寸为1nm至1μm的聚合物颗粒；以及

-至少一个维度的尺寸小于100纳米的无机和/或有机纳米填料，其占所述聚合物颗粒和所述纳米填料的重量之和的0重量％至60重量％。

在一个优选的实施方案中，所述聚合物颗粒的浓度范围为1重量％至5重量％，例如为1.4重量％、2.5重量％。

在一个更优选的实施方案中，所述聚合物颗粒的浓度范围为1.4重量％。

在另一个实施方案中，所述无机和/或有机纳米填料占所述聚合物颗粒和所述纳米填料的重量之和的1重量％、5重量％、10重量％、20重量％、或50重量％，例如5重量％至20重量％。

由包含聚合物和任选的无机/有机纳米颗粒的水基胶体溶液制成的气凝胶是用于建筑隔热应用的有前途的材料。大规模地制造气凝胶板的简便且环保的可能方法是冷冻浇注水基胶体溶液，因为该方法不需要复杂的设置。可移动的侧面冷源与环境(或者说，冷冻模具的封闭端)之间的温度梯度使得冰晶能够不断生长，进而将水基胶体溶液中的颗粒推向冰晶的边界，随后的冷冻干燥步骤使冰升华，由此形成被固体室壁包围的彼此平行的多孔通道。

如本文所使用的，术语“水基胶体溶液”是指由至少一种聚合物分子的颗粒分散在水中形成的胶体状溶液。该至少一种聚合物分子的颗粒的至少一个维度的尺寸为1纳米至1微米的范围。

在一个更具体的实施方案中，所述聚合物颗粒是水性聚氨酯(WPU)颗粒、水性聚乙烯醇颗粒、水性聚酰亚胺颗粒，优选为水性聚氨酯颗粒。

在又一个更具体的实施方案中，所述无机或有机纳米填料为氮化硼纳米片(BNNS)。

在一个优选的实施方案中，所述聚合物颗粒是浓度为1.4重量％的水性聚氨酯颗粒；所述纳米填料是氮化硼纳米片(BNNS)，其占所述水性聚氨酯颗颗粒和所述BNNS的重量之和的10重量％。

在由聚合物颗粒形成的水基胶体溶液中添加至少一种无机和/或有机纳米填料是为了实现对气凝胶板的进一步改性。例如，氮化硼纳米片可以用于调节排列方向上的热传导，从而进一步减少厚度方向上的热传递，同时不会影响气凝胶板的高光反射率。

如本文所使用的，术语“纳米填料”是指至少一个维度上的尺寸小于100纳米的有机和/或无机填料。

所述水基胶体溶液的原料的选择取决于气凝胶的所需特性。本文公开的所有原料原则上适合提供具有低热导率和高光反射率的气凝胶。然而，由于制造过程的不同，获得的气凝胶的微观结构也会有所不同。

在一个具体的实施方案中，本发明方法的步骤1)包括：

1-1)将所述聚合物颗粒分散于水中，由此得到所述水基交替溶液。

在另一个具体的实施方案中，本发明方法的步骤1)包括：

1-2-1)将所述无机和/或有机纳米填料分散于水中，例如通过使其在15℃至30℃的超声浴中经历超声处理10分钟至2小时，由此得到纳米填料分散液；以及

1-2-2)将所述纳米填料分散液与将所述聚合物颗粒分散于水中得到的水性溶液混合，例如通过在15℃至30℃下搅拌至少10小时，例如12小时、16小时、20小时、或24小时，由此得到所述水基胶体溶液。

在一个优选的实施方案中，步骤1)包括：

1-2-1’)将所述无机和/或有机纳米填料分散于水中，例如通过使其在20℃的超声浴中经历超声处理30分钟，由此得到纳米填料分散液；以及

1-2-2’)将所述纳米填料分散液与将所述聚合物颗粒分散于水中得到的水性溶液混合，例如通过在室温下搅拌12小时，由此得到所述水基胶体溶液。

在一个具体的实施方案中，本发明方法的步骤2)包括：

2-1)移动所述可移动的侧面冷源，使其近端与所述冷冻模具的侧面封闭端间隔冷冻有效距离，从而在所述冷冻模具内形成冷冻空间；

2-2)将所述水基胶体溶液倒入所述冷冻空间中，并等待足以使所述水基胶体溶液凝固成块的时间，例如等待至少10分钟，例如15分钟；

任选地，重复步骤2-1)和2-2)，以获得所需长度的冷冻样品。

如本文所使用的，术语“可移动的侧面冷源”是指与冷冻模具的封闭端相对地放置的可移动的冷源，其近端与待冷冻的水基胶体溶液直接接触，用于冷冻水基胶体溶液。术语“侧面”是指与冷冻模具的封闭端相对/平行的面。术语“近端”是指可移动的侧面冷源与待冷冻的水基胶体溶液接触的端部。

通过使可移动的侧面冷源的近端与所述冷冻模具的侧面封闭端间隔一段冷冻有效距离，可以在所述冷冻模具内形成由所述可移动的侧面冷源的近端与所述冷冻模具的侧面封闭端限定的冷冻空间。

之前的一项研究比较了在冰晶的生长方向上相距约1厘米的两个不同位置的横截面的孔密度，结果表明当与冷源的距离为约1厘米时，孔密度降低了30％。这意味着当与冷源的距离增加时，孔径会增加。这种沿冰晶的生长方向上的不均一孔径可以归因于凝固前线远离冷源时冷冻温度的升高。当凝固前线与冷源相距太远时，凝固前线的温度最终无法保持足够低以驱动冰晶的定向生长，导致在远离冷源的远处产生随机排列的孔。而目前使用冷冻浇注技术制造大尺寸气凝胶板的最大挑战之一是在样品的整个尺寸上保持一致的孔径。

如本文所使用的，术语“凝固前线”是指水基胶体溶液中已经凝固的部分和未凝固的部分的界线，该界线会随着冰晶的不断生长而逐渐远离侧面冷源。

因此，在一个实施方案中，所述冷冻有效距离不超过15毫米，例如为不超过14毫米、不超过13毫米、不超过12毫米、不超过11毫米或不超过10毫米、或由上述数值中的任何两个数值构成范围中的任何数值。在一个优选的实施方案中，所述冷冻有效距离范围为10毫米至15毫米。不希望被理论束缚，本发明人发现，根据本发明的该优选的实施方案得到的气凝胶板具有彼此平行(或者说，具有高度取向)且均匀排列的孔通道。这种彼此平行的孔通道可以显著降低气凝胶板的厚度方向上的热传导，进而实现隔热。

如本文所使用的，术语“冷冻有效距离”是指可移动的侧面冷源的近端与所述冷冻模具的侧面封闭端之间的距离间隔使得根据本发明方法得到的气凝胶块能够具有孔径基本一致、均匀排列且彼此平行的孔通道。

在又一个具体的实施方案中，所述可移动的侧面冷源提供最低至-170℃的低温。

在进一步具体的实施方案中，所述可移动的侧面冷源是填充有冷介质如液氮的金属容器。

在进一步具体的实施方案中，所述金属是导热金属材料如单质金属如铝、铜等，或合金如不锈钢等。

如本文所用的，术语“导热金属”是指具有较高热导率的金属材料。

图1示出了根据本发明的方法使用的冷冻浇注装置的示例性示意图。可移动的侧面冷源可以为充满液氮的金属容器。因此，该可移动的侧面冷源的温度可以约为-170℃。冷冻模具由能够经受低温例如-170℃低温的材料如聚四氟乙烯制成。金属容器被放入冷冻模具中。冷源的近端与冷冻模具的封闭端相隔一定距离，如15毫米，由此在冷冻磨具中形成用于冷冻水基胶体溶液的冷冻空间。将待冷冻浇注的水基胶体溶液倒入冷冻模具中的冷冻空间中，使其在金属容器的近端(如，约-170℃)和冷冻模具的封闭端(如，室温)之间的温度梯度驱动下凝固。凝固完成后，使金属容器继续向远离冷冻模具的封闭端的方向移动一段距离(如15毫米)，由此在所述冷冻模具中形成另外的冷冻空间。再将另外的水基胶体溶液倒入该另外的冷冻空间中，并继续进行冷冻浇注以形成新的气凝胶块，其与此前凝固形成的气凝胶块相连。可以将上述步骤重复数次，由此逐块地冷冻浇注水基胶体溶液。另外，可以理解，每个冷冻浇注步骤中的冷冻距离可以是相同的，也可以不相同，根据具体情况而定。此外，还可以理解，气凝胶板的尺寸可以通过定制冷冻模具的尺寸(更具体地，宽度尺寸)和凝固的气凝胶块的总数来确定。

如本文所使用的，术语“逐块”是指通过重复步骤2-1)和2-2)，依次获得具有冷冻有效距离的由水基胶体溶液经冷冻而得到的气凝胶块，进而得到所需尺寸(横向尺寸)的气凝胶板。

在一个具体的实施方案中，本发明方法的步骤3)的冷冻干燥在真空条件下，冷冻干燥温度设为比所述水基胶体溶液的凝固点低至少20℃的温度范围，进行至少48小时。

冷冻样品在真空条件下冷冻干燥以通过升华去除冰。冷冻干燥可以使用本领域技术人员熟知的设备来实施，例如可以使用商购获得的冷冻干燥机。并且，本领域技术人员可以根据所用的冷冻干燥机的真空条件适当地增加或减少干燥时间。

在进一步具体的实施方案中，所述真空条件可以为0.1mbar至0.4mbar的低压条件，优选地，所述真空条件可以为0.2mbar至0.3mbar的低压条件。

在进一步具体的实施方案中，所述冷冻干燥温度可以为-40℃。本领域技术人员能够根据所使用的水基胶体溶液对冷冻干燥温度进行合理选择。

在一个优选的实施方案中，可以使用更长的冷冻干燥时间以确保去除气凝胶中的所有水分，例如，冷冻干燥可以进行至少96小时、120小时、144小时等。通常，气凝胶中剩余的水分含量越少，得到的气凝胶的密度越低，孔隙率则越高。本领域技术人员可以根据实际需求选择合理的干燥时间，例如冷冻干燥机的性能、所应用的水基胶体溶液的性质等。

在冷冻干燥步骤3)之后，可以获得所需尺寸的气凝胶板。气凝胶板的所需尺寸可以通过定制冷冻模具的尺寸和确定冷冻的气凝胶块的总数来实现。

在第二方面，提供了一种气凝胶板，所述气凝胶板具有平行于所述气凝胶板的平面的、孔径一致且均匀排列的孔通道。

如前所述，可移动的侧面冷源与环境(或冷冻模具的封闭端)之间的温度梯度使得冰晶能够不断生长，进而水基胶体溶液中的颗粒推向冰晶的边界，随后的冷冻干燥步骤使冰升华，由此形成与冰晶生长方向平行且被固体室壁包围的多孔通道。本发明人进一步选择合适的冷冻距离，确保冷冻块中的孔径基本一致，在冰升华之后得到(高度)彼此平行的孔通道，进而形成在厚度方向上具有减小的热传递的气凝胶板。

如本文所使用的，术语“孔径一致”是指气凝胶板中的孔均具有范围在15微米至30微米的直径。本领域技术人员能够理解，在一般情况下，在气凝胶板的冰晶生长方向上，孔径会随着凝固前线与侧面冷源之间的距离而改变，一般会随该距离的增加而增大。

如本文所使用的，术语“均匀排布”是指气凝胶板中的孔通道分布均匀，没有出现特别密集或者特别松散的现象。本领域技术人员能够清楚地理解该术语的含义。

在一个优选的实施方案中，所述气凝胶板具有贯穿整个所述气凝胶板的长度的彼此平行的孔通道。

如本文所使用的，术语“彼此平行”是指气凝胶块中的孔通道是平行排列的，或者说，气凝胶块中的孔通道具有高度取向。通过这种方式，可以进一步降低热传导和提高光反射。

图2示出了根据前述机制制造的气凝胶样品的数码照片和扫描电子显微镜(SEM)照片。该SEM照片显示在气凝胶板的不同区域中在冷冻方向上形成了均匀排列的孔。由于每个块的冷冻距离较短，因此整个气凝胶板中的孔排布是均匀的，气凝胶板的不同区域的孔径范围为15微米至30微米。同时，该SEM图像也显示具有相当孔径和彼此平行的孔通道的两个冷冻块之间能够良好的连接。

如前所述，本发明的气凝胶板的尺寸可以通过定制冷冻模具的尺寸和凝固的气凝胶块的总数来确定。

气凝胶板的尺寸包括厚度、长度和宽度尺寸，长度和宽度的尺寸在本文中也称为“横向尺寸”。厚度尺寸可以通过冷冻模具的高度以及每块气凝胶块所用的水基胶体溶液的体积来调整。横向尺寸中的长度即气凝胶板沿冰晶生长方向的尺寸，其决定于冷冻有效距离以及冷冻浇注的气凝胶块的总数。横向尺寸中的宽度即冷冻模具的内侧宽度。

相应地，术语“大尺寸”是相对于小于5厘米的实验室规模的气凝胶而言的横向尺寸，例如20×20平方厘米，或能够用于建筑物外墙屋顶的更大尺寸。

图3示出了根据本发明的一个实施方案的使用可移动的侧面冷源制造的气凝胶板的照片，其示出了由本发明的一个实施方案制造的气凝胶板的横向尺寸为约20×20平方厘米，厚度为约1厘米。

在又一个具体的实施方案中，所述气凝胶板的密度为20mg/cm

在一个优选的实施方案中，所述气凝胶板的密度为20mg/cm

在又一个具体的实施方案中，所述气凝胶板的孔隙率为不低于90％。在一个优选的实施方案中，所述气凝胶板的孔隙率为不低于95％。在一个更优选的实施方案中，所述气凝胶板的孔隙率为95％至98％。

在又一个具体的实施方案中，所述气凝胶板的热导率为低于24mW m

在一个优选的实施方案中，所述气凝胶板的热导率为低于20mW m

在又一个具体的实施方案中，所述气凝胶板的光反射率为不低于90％。在一个优选的实施方案中，所述气凝胶板的光反射率为92％至95％。

由于气凝胶内部的强光散射，本发明提供了在厚度方向上同时具有低于24mW m

图4示出了根据本发明的一个实施方案的气凝胶板的不同区域的热导率和反射率的测量。气凝胶板的不同区域的热导率和反射率高度一致，标准偏差分别不超过10％和3％。本发明中对气凝胶板的热导率和光反射率的测量可以采用本领域熟知的方式，如热常数分析仪Hot Disk TPS 2500S和紫外-可见近红外光谱仪Perkin Elmer Lambda 950等，但不限于此。

在又一个具体的实施方案中，所述气凝胶板是通过第一方面所述的方法制造的。

在第三方面，提供了由第一方面所述的方法制造的气凝胶板或由第二方面所述的气凝胶板用于建筑应用的用途。

在一个具体的实施方案中，所述气凝胶板用于建筑物屋顶、外墙的用途。

在又一个具体的实施方案中，所述气凝胶板用于隔热和/或光反射。

如前所述，由聚合物和任选的纳米填料制成的气凝胶板是用于建筑物隔热应用的有前途的材料。尤其是，根据本发明的方法制造的气凝胶板在垂直于厚度方向上具有彼此平行的、且孔径一致的均匀孔通道，这对于建筑物屋顶、外墙的隔热和保温是理想的，因为平行的孔通道可以显著降低厚度方向上的热传导。并且，纳米填料能够实现对气凝胶板的进一步改性，例如添加氮化硼纳米片可以用于调节平行的孔通道方向上的热传导，从而进一步减少厚度方向的热传递，同时不会影响气凝胶板的高光反射率。因此，当将本发明的气凝胶板应用于建筑物屋顶、外墙时，可以显著减少从阳光吸收的热量和从周围环境向建筑物内部的热传导，实现建筑物的隔热和保温。

本发明的有益之处在于：本发明的气凝胶板制造方法简便且环保，不仅能够制造超低热导率和高光反射率的气凝胶板，而且突破了通常小于5厘米的实验室规模，实现了具有实用潜力的大尺寸气凝胶板的制造，使其适用于实际的建筑隔热应用。

实施例

下述实施例将以水性聚氨酯(WPU)和氮化硼纳米片(BNNS)为原料制备大尺寸BNNS/WPU气凝胶板，并验证根据本发明设计的大尺寸气凝胶板的隔热与光反射率方面的效果。如无特殊说明，其中采用的试验方法均为常规方法，并且如无特殊说明，下述实施例中所用的试验材料均为自常规化试剂商店购买所得。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

提供以下实施例以更好地示例要求保护的发明，并且不能以任何方式解释为限制本发明的范围。下述所有具体化合物、材料和方法全部或部分地落入本发明的范围内。这些具体的化合物、材料和方法并不旨在限制本发明，而仅用于示例落入本发明范围内的具体实施方案。本领域技术人员可以对其中所体现的本发明进行任何修改和变化。这些修改和变化也被认为在本发明的范围内。

材料与设备

水性聚氨酯(WPU)：购自帝斯曼(DSM)

氮化硼纳米片(BNNS)：使用尿素辅助球磨法自制。尿素中的亲水氨基和高转速的球磨有助于有效地将六方氮化硼(h-BN)块体剥离成厚度为几纳米的纳米片。过量的尿素在使用前通过反复洗涤和透析完全去除。

发泡聚苯乙烯(EPS)：购自VFP

二氧化硅(SiO

冷冻干燥机：Scientz 10N/A

台式扫描电子显微镜(SEM)：Hitachi TM3030

热常数分析仪：Hot Disk TPS 2500S

紫外-可见近红外光谱仪：Perkin Elmer Lambda 950

实施例1：BNNS/WPU气凝胶板的制备

首先，将自制的10克BNNS溶于250毫升去离子水中，使该BNNS溶液在20℃的超声波浴中超声处理120分钟，以确保BNNS在去离子水中均匀分散。

接着，将40毫升的BNNS溶液引入960毫升1.5重量％WPU溶液中，并在冷冻浇注过程之前将由此得到的混合物在室温下机械搅拌12小时，得到用于后续冷冻浇注的BNNS/WPU胶体溶液。

然后，在图1示出的冷冻浇注装置中，对上述BNNS/WPU胶体溶液进行冷冻浇注，其详细步骤如下：

(i)将金属容器放在聚四氟乙烯模具(宽度为21厘米)中，并使其距离模具的封闭端15毫米，由此形成冷冻空间。

(ii)在金属容器中填充液氮，并等待一段时间，直到金属容器的表面温度稳定在约-170℃。为确保恒定的冷冻温度，以1L/min的速度在金属容器中连续填充液氮。

(iii)将一定体积的BNNS/WPU胶体溶液倒入模具中的冷冻空间中，并等待一段时间，直到胶体溶液完全凝固。

(iv)沿着与冰晶生长相反的方向将金属容器移动15毫米，由此形成新的冷冻空间。

(v)将相同体积的BNNS/WPU胶体溶液倒入新形成的冷冻空间中，并等待一段时间，直到胶体溶液完全凝固。

(vi)重复步骤(iv)和(v)，直到获得所需长度(如21厘米)的气凝胶。

最后，将冷冻的BNNS/WPU板在冷阱温度为-40℃、压力0.1mbar的冷冻干燥机中冷冻干燥96小时，由此获得大尺寸气凝胶板。

实施例2：BNNS/WPU气凝胶板的表征

对实施例1的方法制造的气凝胶板进行结构、导热率、光反射率等性质的表征。

使用台式扫描电子显微镜(SEM，Hitachi TM3030)表征气凝胶板的微观结构，结果如图2所示。图2的SEM照片显示气凝胶板的不同区域中在冷冻方向上形成了均匀排列的孔。由于每个块的冷冻距离较短，因此整个气凝胶板中的孔排布是均匀的，气凝胶板在不同区域的孔径范围为15微米至30微米。同时，该SEM图像也显示具有相当孔径和彼此平行的孔通道的两个冷冻块之间能够良好的连接。

图3进一步示出了由实施例1的方法制造的气凝胶板的宏观结构，可以看出其横向尺寸为约20×20平方厘米(冷冻干燥后气凝胶板的尺寸有所收缩)，厚度为约1厘米。

使用Hot Disk Thermal Constants Analyzer(Hot Disk TPS 2500S)测量气凝胶板的热导率，使用紫外-可见近红外光谱仪(Perkin Elmer Lambda 950)测量在0.25微米至2.5微米的波长范围的气凝胶板的光反射率，并根据ASTM G173-03计算平均加权光反射率。

图4示出了对本发明的BNNS/WPU气凝胶板的不同区域(A、B和C)的热导率和光反射率的测量。结果表明，该气凝胶板具有22.2±1.1mW m

此外，根据测量，该气凝胶板具有28.5±1.3mg cm

图5显示了本发明的气凝胶板在沿边界方向和垂直于边界的两个方向上弯曲的照片。可知，该气凝胶板在弯曲时表现出良好的机械柔韧性和坚固性，使其更易于卷起以进行运输和展开。

实施例3：与现有技术的比较

首先，本实施例测试了自制WPU固体膜、涂有商用反射涂料的EPS泡沫、基于二氧化硅(SiO

然后，通过将基于二氧化硅(SiO