發(fā)布時間： 2021/02/12 發(fā)布人：蘇州卓納納米技術(shù)有限公司
氣凝膠，是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的新型材料，1931年由美國Kistler.S.發(fā)明，因輕若薄霧藍色泛藍，又被稱為“藍煙”、“凍結(jié)的煙”，創(chuàng)下15項吉尼斯紀錄，在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域顯示許多奇特的性能，被稱為改變世界的神奇材料，列入20世紀90年代以來10大熱門科學(xué)技術(shù)之一，是具有巨大應(yīng)用價值的軍民兩用技術(shù)。
氣凝膠因成分不同，主要有二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠和碳氣凝膠等。當前，二氧化硅氣凝膠的絕熱性能最為引人注目，技術(shù)也最為成熟，國內(nèi)外氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應(yīng)用展開，下文如未特別說明，所稱氣凝膠均為二氧化硅氣凝膠。
氣凝膠因納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率高達80～99.8％，室溫導(dǎo)熱系數(shù)可低達0.013w/(m?k)，是迄今為止絕熱性能最好的材料，在航空航天、石油化工、電力冶金、船舶車輛、精密儀器、冰箱冷庫、服裝帳篷、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的有廣闊的應(yīng)用前景，是傳統(tǒng)隔熱材料革命性替代產(chǎn)品?！?/span>
伴隨著中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能降耗政策的持續(xù)大力推進，以及中國實施多年的納米材料戰(zhàn)略，氣凝膠材料近年來受到了政府、學(xué)術(shù)界、企業(yè)界和投資界的廣泛關(guān)注。
氣凝膠是中國正在逐步顯示出的與世界同行幾乎同步且具有較強競爭力的高新技術(shù)及產(chǎn)品之一，某種意義上，中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對世界氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生越來越大的影響。
當前，中國大學(xué)在氣凝膠領(lǐng)域研究的深度和廣度，中國企業(yè)在低成本氣凝膠制造技術(shù)方面的鍥而不舍，均走在了世界的前面?；蛟S未來我們會看到有一家企業(yè)成為氣凝膠領(lǐng)域的華為，依靠技術(shù)創(chuàng)新和低成本在全球攻城拔寨。
如果這一天到來，國內(nèi)所有從事氣凝膠行業(yè)的人員應(yīng)該感到欣慰，因為遇上了最好的時代。
一、國內(nèi)外氣凝膠的市場情況
1.1. 全球氣凝膠市場情況
Allied市場研究公司2014年6月發(fā)布的報告稱，全球氣凝膠的市場價值在2013年2.218億美元，估計到2020年可達18.966億美元，在預(yù)測期內(nèi)（從2014–2020）的年復(fù)合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應(yīng)用領(lǐng)域探索的持續(xù)進步，市場預(yù)計，隨著時間的推移市場增長的動力會進一步增強。
圖1 氣凝膠市場規(guī)模預(yù)測
據(jù)了解，美國Aspen公司2008~2013年的復(fù)合增長率為33.8%，Allied公司的報告可以認為是主要基于美國Aspen公司業(yè)績情況的較為保守的預(yù)測報告，實際上隨著亞太市場的發(fā)展，特別是中國氣凝膠企業(yè)的崛起，氣凝膠行業(yè)未來的發(fā)展將顯著加快。
圖2 2010年全球絕熱市場規(guī)模
據(jù)Freedonia研究公司報告，在2010年，全球絕熱材料市場估計規(guī)模為321億美元，未來年增長率為 6.3%，到2019年可達556億美元。其中工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域約占總份額三分之一，建筑領(lǐng)域占總分額的三分子二。
氣凝膠材料目前占據(jù)了整個絕熱材料市場金字塔模型的塔尖部分，目前在整個絕熱材料市場中的規(guī)模幾乎是微不足道，這一方面說明氣凝膠產(chǎn)業(yè)仍然處于早期起步階段，同時又預(yù)示著其未來巨大的發(fā)展空間。
圖3 全球絕熱材料與氣凝膠市場規(guī)模預(yù)測對比
目前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是高昂的價格，一旦氣凝膠材料的生產(chǎn)成本得以顯著下降，市場規(guī)模就會急劇擴大，產(chǎn)品銷量也會迅速擴大，并將革命性地替代傳統(tǒng)絕熱材料。
那么氣凝膠爆發(fā)的拐點在何時？實際上隨著氣凝膠材料市場價格不斷下降，目前在工業(yè)絕熱領(lǐng)域，采用氣凝膠材料的工程總造價已經(jīng)接近采用傳統(tǒng)保溫材料，但卻具有節(jié)能、節(jié)省空間、防腐、長壽命等顯著優(yōu)點。圣諾節(jié)能依據(jù)多年產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗判斷，氣凝膠快速發(fā)展的拐點其實已經(jīng)悄然到來，一些技術(shù)領(lǐng)先的氣凝膠企業(yè)將獲得爆發(fā)式的發(fā)展！
圖4 2020年（左）和2025年（右）氣凝膠市場份額 億美元
隨著氣凝膠制造成本的顯著降低和產(chǎn)能迅速擴張，圣諾節(jié)能預(yù)計5年以后的2020年，氣凝膠行業(yè)企業(yè)將迅速曾多，產(chǎn)能將迅速擴大，氣凝膠行業(yè)整體上進入爆發(fā)式的增長階段，預(yù)計年復(fù)合增長率高達55%以上，并在未來10年將迅速替代傳統(tǒng)絕熱材料，特別是在工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域，替換得速度會更快，未來5~10年，可能達到每年19~170億美元的規(guī)模。
1.2. 國內(nèi)氣凝膠市場情況
國內(nèi)市場起步較晚，前期主要是國外氣凝膠產(chǎn)品在銷售，價格較昂貴，市場推廣力度也較小，近年來隨著國內(nèi)氣凝膠企業(yè)逐步增多，實力不斷增強，成本不斷下降，規(guī)模不斷擴大，再得益于國內(nèi)節(jié)能減排政策推行和經(jīng)濟體量的迅速擴大，氣凝膠行業(yè)駛?cè)肓丝焖侔l(fā)展通道。
2014年國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)量大約在8500立方米，進口產(chǎn)品大約1500立方米，市場規(guī)模大約為1.82億元。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，一些新興應(yīng)用不斷開發(fā)出來，氣凝膠市場日益成熟。
圖5 國內(nèi)氣凝膠市場規(guī)模
中國作為新興經(jīng)濟體，在市場增長方面將會以快于國際平均水平的速度迅速增加，未來幾年年將進入快速增長階段。2015年是國內(nèi)氣凝膠規(guī)模的突變之年，新增產(chǎn)能預(yù)計達到16000~20000立方米（已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)的主要氣凝膠企業(yè)都在大力擴產(chǎn)），實際產(chǎn)量約19600立方米，進口產(chǎn)品約1000立方米，預(yù)計市場規(guī)模3.30億，2020年將達到37.16億元，2015年到2020年的復(fù)合增長率約達61.1%。
圖6 2020年國內(nèi)氣凝膠市場應(yīng)用分布 萬元
目前國內(nèi)軍品領(lǐng)域需求主要集中在航天、兵器及艦艇等領(lǐng)域；民用領(lǐng)域的石油化工、軌道交通、電力工業(yè)、礦用井下救生艙和城鎮(zhèn)熱力管網(wǎng)已經(jīng)形成一定的市場規(guī)模并繼續(xù)快速增長，特種服裝和帳篷、LNG管線、建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用也開始少量試用后期市場巨大。
國家新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃指出，保溫材料產(chǎn)值將達1200億。預(yù)計進入“十三五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)獲得快速發(fā)展。圣諾節(jié)能公司推斷，預(yù)計2015年到2020年氣凝膠材料將在工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域獲得大批量應(yīng)用，2020年開始全面替換傳統(tǒng)工業(yè)保溫材料，分享國內(nèi)每年約500多億的市場。預(yù)計2020年開始，氣凝膠材料在建筑領(lǐng)域?qū)㈤_始大規(guī)模的應(yīng)用，2025年將全面替代傳統(tǒng)建筑保溫材料，分享國內(nèi)每年1000多億的市場。
二、可供選擇的技術(shù)路線
為方便后面討論，及方便部分對氣凝膠感興趣，但對制備工藝不太了解的朋友閱讀，這里簡要介紹氣凝膠的制備工藝。簡單來說，氣凝膠制備包含以下過程：
圖7 氣凝膠制備的典型工藝過程
氣凝膠性能主要由其納米孔洞結(jié)構(gòu)決定，一般通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架，由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會造成骨架的坍縮，氣凝膠制備技術(shù)核心在于避免干燥過程中由于毛細管力導(dǎo)致納米孔洞結(jié)構(gòu)塌陷。
對應(yīng)地，為消除應(yīng)力，一般可以從以下幾個方面采取措施：
根據(jù)干燥工藝的不同，主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種，其他尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)技術(shù)還有真空冷凍干燥、亞臨界干燥等。
超臨界干燥技術(shù)是最早實現(xiàn)批量制備氣凝膠技術(shù)，已經(jīng)較為成熟，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)。超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達到其本身的臨界點，形成一種超臨界流體，處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而可以實現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)實現(xiàn)批產(chǎn)技術(shù)一般采用二氧化碳作為干燥介質(zhì)，簡稱二氧化碳超臨界干燥技術(shù)。
常壓干燥一種新型的氣凝膠制備工藝，是當前研究最活躍，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臍饽z批產(chǎn)技術(shù)。其原理是采用疏水基團對凝膠骨架進行改性，避免凝膠孔洞表面的硅羥基相互結(jié)合并提高彈性，同時采用低表面張力液體置換凝膠原來高比表面積的水或乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。
下面對兩種技術(shù)路線做簡要的分析對比：
設(shè)備投入：超臨界干燥技術(shù)使用核心設(shè)備為高壓釜，一般工作壓力高達7~20MPa，屬于特種設(shè)備中的壓力容器，設(shè)備系統(tǒng)較為復(fù)雜，運行和維護成本也較高，目前國內(nèi)已有能提供成套制備超臨界設(shè)備的廠家，但數(shù)量不多，業(yè)主的議價能力較弱。常壓干燥技術(shù)采用常規(guī)的常壓設(shè)備，相對超臨界干燥由于不需要高壓條件，設(shè)備投入低，設(shè)備系統(tǒng)也較為簡單，因為大部分化工設(shè)備單位都能加工制造，業(yè)主議價能力較強。
生產(chǎn)成本：氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在硅源、設(shè)備折舊和能耗三塊。硅源主要包括水玻璃和有機硅。有機硅價格較為昂貴，但是純度高，工藝適應(yīng)性好，既可以應(yīng)用于超臨界干燥工藝，也可以適用于常壓干燥工藝，目前國內(nèi)外采用超臨界干燥工藝的企業(yè)基本上都是采用有機硅源。水玻璃價格低廉，但是雜質(zhì)較多，去除雜質(zhì)的工藝較為繁瑣，目前主要應(yīng)用于常壓干燥技術(shù)中。設(shè)備折舊方面，因超臨界干燥技術(shù)設(shè)備投資較高，折舊要要高于常壓技術(shù)。能耗方面，超臨界干燥系統(tǒng)耗電要高于常壓 干燥系統(tǒng)，蒸汽消耗方面兩者差別不大。因此，一般而言采用常壓干燥技術(shù)的生產(chǎn)成本要低于超臨界干燥。
產(chǎn)品性能：就二氧化硅氣凝膠而言，目前超臨界干燥技術(shù)和常壓干燥技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品沒有任何顯著或?qū)嵸|(zhì)意義的區(qū)別，基本上超臨界技術(shù)能達到技術(shù)指標，常壓干燥工藝都能達到。在非二氧化硅氣凝膠制備方面，超臨界干燥工藝要成熟很多，不過還沒有量產(chǎn)的報道。
技術(shù)門檻：相對而言，超臨界干燥技術(shù)的生產(chǎn)效率、安全性，乃至工藝變更都對設(shè)備系統(tǒng)有較高依賴度，如果設(shè)備廠家提供設(shè)備系統(tǒng)較為成熟可靠，業(yè)主進入技術(shù)門檻相對較低，這也是許多氣凝膠行業(yè)新進入者選擇超臨界工藝原因之一，但也因此受到較多制約。常壓干燥技術(shù)設(shè)備的投資門檻較低，但是技術(shù)門檻卻較高，對配方的設(shè)計和流程組合優(yōu)化有較高要求，如果技術(shù)不過關(guān)，不僅生產(chǎn)成本可能高于超臨界，甚至于性能指標也不能達到要求。
拓展空間：超臨界干燥作為高壓特種設(shè)備，如果要擴大生產(chǎn)規(guī)模，固定資產(chǎn)投入是巨大的，氣凝膠未來如果要迎接建筑保溫的巨大市場，比如達到年產(chǎn)50萬立方米（這僅是目前中小規(guī)模建材企業(yè)的規(guī)模），采用超臨界干燥技術(shù)的設(shè)備投入將高達數(shù)十億，十分不利于氣凝膠企業(yè)的做大做強。而常壓干燥技術(shù)，隨著規(guī)模擴大，投入產(chǎn)出比會進一步提高，可以較少投資獲得較大生產(chǎn)規(guī)模，因而更能適應(yīng)未來大生產(chǎn)的需要。此外，受限于硅源，超臨界的原料成本降低空間有限，只能通過優(yōu)化系統(tǒng)提高生產(chǎn)效率，而常壓干燥對廉價硅源有較強接納能力，流程優(yōu)化方面也有較多自由度，因而擁有更大的成本下降空間。
通過以上分析，筆者認為，超臨界干燥技術(shù)和常壓干燥技術(shù)各有優(yōu)勢，都有存在的合理性。但就像過去顯示器領(lǐng)域等離子技術(shù)和液晶技術(shù)的競爭一樣，二者曾難分伯仲，到現(xiàn)在液晶技術(shù)已完全勝出，隨著時間推移，筆者相信，就二氧化硅氣凝膠的制備生產(chǎn)，常壓干燥技術(shù)將最終獲得壓倒性的勝利。
三、氣凝膠主要產(chǎn)品形態(tài)，兼談納米微孔絕熱材料
3.1氣凝膠超級絕熱原理
如前所述，我們討論的焦點是二氧化硅氣凝膠及其作為超級絕熱材料的應(yīng)用。氣凝膠何以成為超級絕熱材料？我們先來看看氣凝膠的超級絕熱原理。
圖 8 熱量傳遞的三種基本方式
熱量有三種基本傳遞方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。對于保溫材料而言，熱傳導(dǎo)主要由保溫材料中的固體部分來完成；熱對流則主要由保溫材料中的氣體來完成；熱輻射的傳遞不需要任何介質(zhì)。
1992年，美國召開的國際材料工程大會上提出了超級絕熱材料的概念，指在預(yù)定的使用條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)低于"無對流空氣"導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱材料。具有納米孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠就是典型超級絕熱材料。
圖 9 氣凝膠與傳統(tǒng)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)對比
氣凝膠的超級絕熱性能基于以下原理：
“無窮長路徑”效應(yīng)：由于近于無窮多納米孔的存在，熱流在固體中傳遞時就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮長路徑”效應(yīng)，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。
“零對流”效應(yīng)：當氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時，氣孔內(nèi)的空氣分子就失去了自由流動的能力，相對地附著在氣孔壁上，這時材料處于近似真空狀態(tài)，即產(chǎn)生“零對流”效應(yīng)。
“無窮多遮熱板”的效應(yīng)：由于材料內(nèi)的氣孔均為納米級氣孔再加材料本身極低的體積密度，使材料內(nèi)部氣孔壁數(shù)日趨于“無窮多”，對于每一個氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產(chǎn)生近于“無窮多遮熱板”的效應(yīng)，從而使輻射傳熱下降到近乎最低極限。不過在400℃以上高溫下使用時，仍然需要加入遮光劑來增強氣凝膠對高溫紅外線的輻射的抵抗。