氣凝膠產(chǎn)品行業(yè)分析
- 作者: 作者: 報告出品方/
- 來(lái)源: 來(lái)源: 未來(lái)智庫
- 日期 : 2015-01-30
一、氣凝膠是當前高效節能隔熱材料
氣凝膠是新一代高效節能隔熱材料。氣凝膠是一種具有納米多孔網(wǎng)絡(luò )結構、并在孔隙中充滿(mǎn)氣態(tài)分散介質(zhì)的固體材料，是世界上獨特的輕固體。由于獨特的結構，氣凝膠在熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都展示出優(yōu)異的性能。目前商業(yè)化應用的氣凝膠主要圍繞其高效的阻熱能力展開(kāi)，下游用于石油化工、熱力管網(wǎng)、鋰電池、建筑建材、戶(hù)外服飾、 航天、軍工等多個(gè)領(lǐng)域。
氣凝膠的阻熱原理是其獨立的結構帶來(lái)的無(wú)對流效應、無(wú)窮多遮擋板效應、無(wú)窮長(cháng)路徑效應。氣凝膠的導熱系數在 0.012~0.024W/(m·K)，比傳統的隔熱材料低 2~3 個(gè)數量級， 其隔熱的原理在于均勻致密的納米孔及多級分形孔道微結構可以有效阻止空氣對流，降低 熱輻射和熱傳導：1）無(wú)對流效應：氣凝膠氣孔為納米級，內部空氣失去自由流動(dòng)能力；2） 無(wú)窮多遮擋板效應：納米級氣孔，氣孔壁無(wú)窮多，輻射傳熱降至最低；3）無(wú)窮長(cháng)路徑效應：熱傳導沿著(zhù)氣孔壁進(jìn)行，而納米級氣孔壁無(wú)限長(cháng)。
與傳統保溫材料相比，二氧化硅氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統材料的 2-8 倍，因此在同等保溫效果下氣凝膠用量更少。以管道為例，直徑為 150mm 的管道如果需要達到相同的保溫效果，對應使用的保溫材料膨脹珍珠巖、硅酸鈣、巖棉、氣凝膠氈的厚度分別為 90mm、 76mm、64mm、20mm。根據中石化塔河煉化的測算，將常壓焦化裝置從傳統保溫材料 改造成“二氧化硅氣凝膠保溫毛氈+單面鋁箔玻纖布保溫材料”組合保溫的方式后，熱損失降低了34.7%，保溫層厚度較傳統保溫材料降低 50%以上。
此外，氣凝膠具備較長(cháng)的使用壽命的優(yōu)勢，其使用壽命約為傳統保溫材料的 4 倍左右。傳統保溫材料如巖棉、聚氨酯等在長(cháng)期使用過(guò)程中容易吸水，一方面影響保溫效果，另一方面在吸水后由于重力作用導致保溫材料分布不均勻，尤其是在管道保溫的使用場(chǎng)景下，容易造成保溫材料在管道下部堆積，最終影響使用壽命。氣凝膠則具有優(yōu)異的防水效果，其憎水率達 99%以上，在長(cháng)期使用過(guò)程中仍能保持穩定的結構和隔熱效果。
目前商用的氣凝膠通常為復合材料制品，且具有多種形態(tài)。氣凝膠存在強度低、韌性差等缺點(diǎn)，因此需要通過(guò)添加顆粒、纖維等增強體提高強度和韌性，也可以通過(guò)添加炭黑、陶瓷纖維等遮光劑提高遮擋輻射能力。因此當前在售氣凝膠制品往往是由氣凝膠材料與基材復合制得。根據制品形態(tài)，氣凝膠制品可以分為氣凝膠氈、氣凝膠紙、氣凝膠布、氣凝膠板材、氣凝膠粉末、氣凝膠漿料、氣凝膠涂料等。
氣凝膠材料種類(lèi)繁多，其中SiO2氣凝膠的商業(yè)化應用較為成熟。氣凝膠按照前驅體可分為氧化物、碳化物、聚合物、生物質(zhì)、半導體、非氧化物、金屬七大類(lèi)。眾多不同的前驅體可制備出具有不同性能的氣凝膠，極大豐富了氣凝膠品種的多樣性，拓展了氣凝膠的應用范圍。目前市場(chǎng)上SiO2氣凝膠的應用逐漸成熟，2019年全球二氧化硅氣凝膠占比高達69%。
二氧化硅氣凝膠前驅體可分為有機硅源和無(wú)機硅源。常用的有機硅源是正硅酸甲酯、正硅酸乙酯等功能性硅烷，無(wú)機硅源包括四氯化硅和水玻璃等。與無(wú)機硅源相比，有機硅源價(jià)格較為昂貴，但是純度高，工藝適應性好，可以適應超臨界干燥和常壓干燥。無(wú)機硅源水玻璃價(jià)格雖然較低，但是雜質(zhì)較多，目前主要用于常壓干燥中。
氣凝膠的制備過(guò)程主要包括溶膠-凝膠、老化、改性、濕凝膠的干燥處理過(guò)程。溶膠-凝膠過(guò)程指前驅體溶膠聚集縮合形成凝膠的過(guò)程。但由于剛形成的濕凝膠三維強度不夠而容易破碎坍塌，因此需要在母體溶液中老化一段時(shí)間提高強度或者利用表面改性減小或消除干燥應力。干燥過(guò)程即用空氣取代濕凝膠孔隙中的溶液并排出。
干燥工藝是合成步驟的關(guān)鍵。濕凝膠在干燥過(guò)程中需要承受高達 100Mpa-200MPa 的干燥應力，該應力會(huì )使凝膠結構持續收縮和開(kāi)裂，容易導致結構塌陷。目前主流干燥工藝路線(xiàn)有超臨界干燥、常壓干燥。
超臨界干燥的原理是當溫度和壓力達到或超過(guò)液體溶劑介質(zhì)的超臨界值時(shí)，濕凝膠孔洞中的液體直接轉化為無(wú)氣液相區的流體，孔洞表面氣液界面消失，表面張力變得很小甚至消失。當超臨界流體從凝膠排出時(shí)，不會(huì )導致其網(wǎng)絡(luò )股價(jià)的收縮及結構坍塌， 從而得到具有凝膠原有結構的塊狀納米多孔氣凝膠材料。早期的干燥介質(zhì)主要采用甲醇、乙醇、異丙醇、苯等，但是該技術(shù)具備一定危險，且設備復雜，因此近年來(lái)又開(kāi)發(fā)出以二氧化碳為干燥介質(zhì)的低溫環(huán)境超臨界干燥工藝，通過(guò)降低干燥時(shí)的臨界溫度和壓力，來(lái)改善干燥條件，降低危險性。
常壓干燥的原理是利用低表面張力的干燥介質(zhì)和相關(guān)改性劑來(lái)置換濕凝膠中的溶劑， 以減小干燥時(shí)產(chǎn)生的毛細管作用力，避免在去除溶劑時(shí)凝膠結構發(fā)生破壞，從而實(shí)現 常壓干燥。常壓干燥前通常需要對濕凝膠進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的透析和溶劑置換處理。常壓干燥設備成本與能耗成本相對較低、設備簡(jiǎn)單，但是對配方設計和流程組合優(yōu)化要求高， 而且在制備非二氧化硅氣凝膠時(shí)尚不成熟。（報告來(lái)源：未來(lái)智庫）
