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氣凝膠是一種性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的納米級(jí)多孔固態(tài)材料，在新能源、石油化工、工業(yè)隔熱、建筑建造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用場(chǎng)景，具有低熱導(dǎo)率、低折射率、低聲阻抗等多種優(yōu)異性能。

氣凝膠的產(chǎn)品分類

氣凝膠種類多樣，發(fā)展至今已由單一組分的SiO₂氣凝膠形成了包括氧化物氣凝膠、有機(jī)氣凝膠、碳?xì)饽z、復(fù)合氣凝膠在內(nèi)的多種類型。其中SiO₂氣凝膠是最早制得，同時(shí)也是目前研究時(shí)間最長(zhǎng)、溶膠-凝膠機(jī)理最為成熟、制備工藝最為完善的氣凝膠。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全球氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模為8.35億美元中，其中SiO₂氣凝膠占比近7成。

表 1 氣凝膠主要產(chǎn)品分類

資料來源：《氣凝膠材料及其應(yīng)用》

氣凝膠被應(yīng)用于各行各業(yè)，不同產(chǎn)品具備不同的特性并用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

表 2 不同氣凝膠優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景

資料來源：《氣凝膠材料的研究進(jìn)展》、《氣凝膠材料及其應(yīng)用》

氣凝膠的應(yīng)用場(chǎng)景

氣凝膠制品主要包括氣凝膠氈、氣凝膠紙、氣凝膠布、氣凝膠板材、氣凝膠粉末等，下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，涉及石油化工、建筑建造、到工業(yè)隔熱、交通等領(lǐng)域，其中石油化工為最大應(yīng)用領(lǐng)域，消費(fèi)占比達(dá)到56%，其次應(yīng)用于工業(yè)隔熱，占比為18%。在新能源領(lǐng)域，氣凝膠則主要應(yīng)用于動(dòng)力電池電芯之間的隔熱阻燃、模組與殼體之間的隔熱防震層、電池箱的外部防寒層和高溫隔熱層等。未來隨著氣凝膠技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用場(chǎng)景十分廣闊，是具備成長(zhǎng)空間的大賽道和大單品。

圖 1 氣凝膠消費(fèi)結(jié)構(gòu)

資料來源：IDTechEx

其中，氣凝膠氈是氣凝膠終端的產(chǎn)品形態(tài)。氣凝膠氈是指使用纖維增強(qiáng)法以改善氣凝膠脆性、增強(qiáng)力學(xué)性能制備而成的氣凝膠復(fù)合材料。其原理是將纖維作為支撐骨架，支撐具有納米孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠，使制得的復(fù)合材料更適用于多領(lǐng)域的應(yīng)用。制備氣凝膠氈最簡(jiǎn)單的方法是將短纖維（后來發(fā)展到預(yù)制纖維氈）在凝膠之前加入到溶膠中，使得兩者能夠充分結(jié)合以生成復(fù)合材料。制備使用的纖維分兩大類：一類是有機(jī)纖維（聚丙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維等）；另一類是無機(jī)纖維（硅酸鋁纖維、陶瓷微纖維和玻璃纖維等）。各種研究表明使用纖維增強(qiáng)制備氣凝膠復(fù)合材料可以加強(qiáng)氣凝膠的力學(xué)性能，使二氧化硅氣凝膠的實(shí)用性進(jìn)一步增強(qiáng)。目前市場(chǎng)上尤其以二氧化硅氣凝膠氈應(yīng)用最為廣泛，納諾科技、愛彼愛和等公司正在致力于氣凝膠氈的研發(fā)與市場(chǎng)推廣。

氣凝膠氈可制成多類復(fù)合產(chǎn)品，應(yīng)用于新能源汽車電芯模組、PACK及整車的防火隔熱系統(tǒng)等。

表 3 氣凝膠制品及其功能

資料來源：愛彼愛和

氣凝膠企業(yè)與工藝

2021年，國(guó)內(nèi)氣凝膠產(chǎn)量達(dá)到75萬立方米，約合15萬噸，其中主要生產(chǎn)企業(yè)包括江西晨光新材料股份有限公司、江西宏柏新材料股份有限公司、江蘇泛亞微透科技股份有限公司、納諾科技有限公司、貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限責(zé)任公司、愛彼愛和新材料有限公司等，同時(shí)在規(guī)劃企業(yè)眾多，包括晨光新材（規(guī)劃產(chǎn)能約33.5萬立方米）、宏柏新材（規(guī)劃產(chǎn)能1萬立方米）、中國(guó)化學(xué)（規(guī)劃產(chǎn)能25萬立方米）、江瀚新材（規(guī)劃產(chǎn)能1萬立方米）等。

氣凝膠的生產(chǎn)制備主要分為兩步：第一步通過溶膠-凝膠過程制得凝膠；第二步通過一定的干燥方法將凝膠內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)替換為氣態(tài)從而制得氣凝膠。溶膠-凝膠過程是制備氣凝膠最核心的過程，它通常是指前驅(qū)體在催化劑（酸或堿）的作用下進(jìn)行水解縮聚反應(yīng)后形成溶膠，進(jìn)而通過老化形成凝膠的過程。通過改變前驅(qū)體種類、催化劑濃度、體系溫度及pH等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)凝膠骨架微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。而材料的結(jié)構(gòu)往往決定其所具有的功能，因而通過調(diào)節(jié)溶膠凝膠參數(shù)可制得具有特定功能的氣凝膠。

干燥方法分為常壓干燥法和超臨界干燥法。其中，超臨界CO₂干燥法工藝較為成熟，工藝包完善，為市面上較多采用的氣凝膠生產(chǎn)工藝，如愛彼愛和、晨光新材、宏柏新材等。常壓干燥是常見的干燥方法中操作簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法，可降低氣凝膠的生產(chǎn)成本，但是工藝難度較大，目前納諾科技等采用此方法。氣凝膠氈是氣凝膠終端的產(chǎn)品形態(tài)，是指使用纖維增強(qiáng)法以改善氣凝膠脆性、增強(qiáng)力學(xué)性能制備的氣凝膠復(fù)合材料，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)氣凝膠制品以膠氈形態(tài)使用。

超臨界干燥法

超臨界干燥法是最早提出、應(yīng)用最為廣泛的干燥方法。它是指將干燥溶劑的溫度、壓強(qiáng)均提升至其超臨界點(diǎn)以上，從而消除凝膠孔洞內(nèi)的氣液界面，是對(duì)樣品進(jìn)行干燥的方法。為了避免溶劑的蒸發(fā)，在超臨界干燥前會(huì)預(yù)先向高壓釜內(nèi)充入一定量的N₂，從而達(dá)到預(yù)增壓的效果。通常被用于超臨界干燥的試劑包含以乙醇為代表的有機(jī)溶劑與液態(tài)CO₂兩類，與有機(jī)溶劑相比，選用液態(tài)CO₂作干燥介質(zhì)操作更為安全，同時(shí)較低的超臨界溫度及壓力會(huì)使凝膠骨架在干燥過程中基本保持不變，凝膠表面的化學(xué)基團(tuán)也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定存在，但CO₂超臨界干燥存在漫長(zhǎng)的溶劑替換過程，同時(shí)要求被替換的溶劑能夠與液態(tài)CO₂互溶，因此時(shí)間成本較高。但是超臨界CO₂干燥法工藝較為成熟，工藝包完善，為市面上較多采用的氣凝膠生產(chǎn)工藝，如愛彼愛和、晨光新材、宏柏新材等公司均采用此方法。

常壓干燥法

常壓干燥不需要超臨界干燥所使用的高壓釜，但需要漫長(zhǎng)的溶劑替換過程，從而避免在干燥過程中凝膠吸水以及氣液界面張力對(duì)凝膠骨架造成破壞。通常在進(jìn)行常壓干燥前需要將凝膠內(nèi)的溶劑替換為表面張力較小的試劑，之后對(duì)凝膠表面進(jìn)行修飾處理，即將凝膠表面親水的羥基替換為疏水的甲基，最后再進(jìn)行干燥。相對(duì)于超臨界干燥而言，常壓干燥在保持氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的同時(shí)也有效地降低了干燥過程是的危險(xiǎn)性，是4種常見的干燥方法中操作最簡(jiǎn)單、使用最經(jīng)濟(jì)的方法。常壓干燥工藝可降低氣凝膠的生產(chǎn)成本，但是工藝難度較大。

氣凝膠的未來發(fā)展方向

一、氣凝膠在動(dòng)力電池及整車的新型防火隔熱材料方面，有望加速滲透

氣凝膠氈可制成各類復(fù)合產(chǎn)品，用于新能源車動(dòng)力電池及整車的防火隔熱系統(tǒng)。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池的熱安全問題引起相關(guān)部門的關(guān)注：高溫、過充、內(nèi)短路以及機(jī)械破壞均可能引發(fā)動(dòng)力電池組的熱失控，造成火災(zāi)，威脅駕乘人員的安全。2020年年5月月，工信部發(fā)布的《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》提出：電池單體發(fā)生熱失控后，電池系統(tǒng)需在在5分鐘內(nèi)不起火，為乘員安全逃生提供時(shí)間。電池廠、主機(jī)廠一般在電芯之間、模組和PACK的上蓋使用防火隔熱材料，從而延緩或者阻止電池組熱擴(kuò)散以及火焰的蔓延。目前常用的防火隔熱材料包括：玻璃纖維棉、硅酸鋁棉、復(fù)合隔熱板等。然而傳統(tǒng)防火隔熱材料存在導(dǎo)熱系數(shù)高、厚度大、防火防水性能一般、保溫性能衰減快等缺陷。根據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)論文《二氧化硅氣凝膠及其在保溫隔熱領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展》：相較于傳統(tǒng)保溫材料，二氧化硅氣凝膠只需需1/5-1/3的厚度即可達(dá)到同等的隔熱效果，為動(dòng)力電池及整車節(jié)省更多空間。目前，河南愛彼愛和新材料有限公司的氣凝膠隔熱墊、氣凝膠防火毯、防火涂料、防火絕緣復(fù)合帶等氣凝膠系列產(chǎn)品已構(gòu)建起電芯模組、PACK及整車級(jí)別的立體式防火隔熱系統(tǒng)，以使電動(dòng)汽車滿足GB38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中的熱擴(kuò)散防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

二、氣凝膠在傳統(tǒng)的建筑保溫材料方面，替代市場(chǎng)廣闊

傳統(tǒng)的建筑保溫材料是千億級(jí)市場(chǎng)，氣凝膠制品憑借優(yōu)異的性能、輕薄的結(jié)構(gòu)有望加速替代。在辦公室、潔凈室、冷庫(kù)、工廠、家庭取暖制冷等場(chǎng)合，日常需要耗費(fèi)大量電能來維持建筑內(nèi)特定的溫度，使之達(dá)到相應(yīng)的使用條件。因此在建筑的內(nèi)外墻使用保溫隔熱材料，可減少建筑內(nèi)部空間與外界溫差而造成的能量損失，有利于節(jié)能、降耗。據(jù)西安市建筑節(jié)能協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2021年我國(guó)外墻保溫材料的市場(chǎng)規(guī)到模已達(dá)到1718.70億元，2015-2021年的年均復(fù)合增速高達(dá)20%。相較于傳統(tǒng)的墻體保溫材料，氣凝膠制品具備性能好、厚度薄、節(jié)省建筑空間等優(yōu)勢(shì)。據(jù)論文《SiO2氣凝膠纖維復(fù)合材料制備及其在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)展》，相較于傳統(tǒng)的墻體保溫材料（聚氨酯發(fā)泡板、巖棉板、石膏保溫砂漿、玻化微珠保溫砂漿等），氣凝膠復(fù)合產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)與燃燒等級(jí)均占優(yōu)勢(shì)，為達(dá)到同樣的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的建筑保溫材料用需使用40-50mm，而氣凝膠氈/板保溫層僅需需15-25mm，因此使用氣凝膠制品可使保溫材料在建筑空間中的占比減少約約50%。

三、氣凝膠可有效減少管道輸送中的熱量損失，市場(chǎng)潛力大

近年來，氣凝膠氈作為一種新型絕熱材料廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)油氣傳輸、蒸汽管道和工藝管道上，可有效保護(hù)管道介質(zhì)在輸送過程中熱量的損失。目前，用于管道保溫的材料主要有硅酸鈣、復(fù)合硅酸鹽、巖棉等。這些保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著環(huán)境溫度和濕度的上升而產(chǎn)生較大幅度的增大。為滿足不超過規(guī)定的最大允許熱損失量的要求，就需要增加保溫材料的厚度。使用較厚的保溫層，對(duì)材料的運(yùn)輸、施工、使用空間等都會(huì)造成較大影響。因此，采用技術(shù)先進(jìn)、高效保溫的材料對(duì)熱力管道進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，減薄保溫層厚度，降低管線熱損失，是熱力管道節(jié)能保溫的重要攻克領(lǐng)域。氣凝膠的孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，可使氣凝膠孔隙中空氣分子近似靜止，避免了空氣的對(duì)流傳熱，氣凝膠很低的體積密度及納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彎曲路徑也阻止了氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)，趨于“無窮多”的空隙壁可以使熱輻射降至最低。通過三方面共同作用，幾乎阻斷了熱傳遞的途徑，使氣凝膠達(dá)到十分出眾的絕熱效果，甚至遠(yuǎn)低于常溫下靜態(tài)空氣0.025W／(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)到0.013W／(m·K)以下。對(duì)比傳統(tǒng)保溫材料，二氧化硅氣凝膠絕熱氈導(dǎo)熱系數(shù)僅為傳統(tǒng)保溫材料的1/3～1/5，保溫隔熱能力是傳統(tǒng)材料的2～8倍；具有優(yōu)異的防火性及防水性，具備較好的抗拉、抗壓能力及化學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)論文《二氧化硅氣凝膠絕熱氈的應(yīng)用及性能分析》，中國(guó)石化塔河煉化的常壓焦化裝置使用傳統(tǒng)的III型高溫玻璃棉氈保溫材料，后續(xù)管道保溫結(jié)構(gòu)改造采用二氧化硅氣凝膠保溫毛氈+單面鋁箔玻纖布保溫材料組合保溫的方式，論文通過對(duì)高溫管道改造前后對(duì)比分析計(jì)算表明：（1）采用二氧化硅氣凝膠絕熱氈新型保溫材料后，熱損失降低了34.66%，節(jié)能效果明顯；（2）二氧化硅氣凝膠絕熱氈作為新型保溫材料，其保溫性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保溫材料，突出表現(xiàn)為熱力管道起終點(diǎn)溫差明顯低于傳統(tǒng)保溫材料，保溫層厚度較傳統(tǒng)保溫材料降低50%以上。因此，二氧化硅氣凝膠絕熱氈作為新型保溫材料，具有防火隔熱、防水、超低導(dǎo)熱系數(shù)等性能，且使用壽命長(zhǎng)，是煉油企業(yè)高溫管道的理想選擇。