發(fā)布時(shí)間： 2022/02/17 發(fā)布人：蘇州卓納納米技術(shù)有限公司
氣凝膠是新一代高效節(jié)能隔熱材料。氣凝膠是一種具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并在孔隙中充 滿(mǎn)氣態(tài)分散介質(zhì)的固體材料，是世界上最輕的固體。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，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(yīng)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。
圖1：氣凝膠實(shí)物圖
表1：氣凝膠參數(shù)
氣凝膠的阻熱原理是其獨(dú)立的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的無(wú)對(duì)流效應(yīng)、無(wú)窮多遮擋板效應(yīng)、無(wú)窮長(zhǎng)路徑效應(yīng)。氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)在 0.012~0.024W/(m·K)，比傳統(tǒng)的隔熱材料低 2~3 個(gè)數(shù)量級(jí)， 其隔熱的原理在于均勻致密的納米孔及多級(jí)分形孔道微結(jié)構(gòu)可以有效阻止空氣對(duì)流，降低 熱輻射和熱傳導(dǎo)：1）無(wú)對(duì)流效應(yīng)：氣凝膠氣孔為納米級(jí)，內(nèi)部空氣失去自由流動(dòng)能力；2） 無(wú)窮多遮擋板效應(yīng)：納米級(jí)氣孔，氣孔壁無(wú)窮多，輻射傳熱降至最低；3）無(wú)窮長(zhǎng)路徑效應(yīng)：熱傳導(dǎo)沿著氣孔壁進(jìn)行，而納米級(jí)氣孔壁無(wú)限長(zhǎng)。
圖2：氣凝膠保溫原理
與傳統(tǒng)保溫材料相比，二氧化硅氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統(tǒng)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(dá)到相同的 保溫效果，對(duì)應(yīng)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(jù)中石化塔河煉化的測(cè)算，將常壓焦化裝置從傳統(tǒng)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(tǒng)保溫材料降低 50%以上。
圖3：相同保溫性能情況下，氣凝膠氈用量最少
此外，氣凝膠具備較長(zhǎng)的使用壽命的優(yōu)勢(shì)，其使用壽命約為傳統(tǒng)保溫材料的 4 倍左右。傳 統(tǒng)保溫材料如巖棉、聚氨酯等在長(zhǎng)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(dǎo)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(dá) 99%以上，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中仍能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和隔熱效果。
表2：氣凝膠比傳統(tǒng)保溫材料隔熱性好、防水性好、使用壽命長(zhǎng)、用量小
目前商用的氣凝膠通常為復(fù)合材料制品，且具有多種形態(tài)。氣凝膠存在強(qiáng)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(qiáng)體提高強(qiáng)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(dāng)前在售氣凝膠制品往往是由氣凝膠材料與基材 復(fù)合制得。根據(jù)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。
圖4：氣凝膠制品形態(tài)
氣凝膠材料種類(lèi)繁多，其中 SiO2 氣凝膠的商業(yè)化應(yīng)用最成熟。氣凝膠按照前驅(qū)體可分為 氧化物、碳化物、聚合物、生物質(zhì)、半導(dǎo)體、非氧化物、金屬七大類(lèi)。眾多不同的前驅(qū)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(yīng)用 范圍。目前市場(chǎng)上SiO2氣凝膠的應(yīng)用最成熟，2019年全球二氧化硅氣凝膠占比高達(dá)69%。
圖5 氣凝膠分類(lèi)
圖6：2019年二氧化硅氣凝膠在全球氣凝膠市場(chǎng)占比約69%
二氧化硅氣凝膠前驅(qū)體可分為有機(jī)硅源和無(wú)機(jī)硅源。常用的有機(jī)硅源是正硅酸甲酯、正硅 酸乙酯等功能性硅烷，無(wú)機(jī)硅源包括四氯化硅和水玻璃等。與無(wú)機(jī)硅源相比，有機(jī)硅源價(jià) 格較為昂貴，但是純度高，工藝適應(yīng)性好，可以適應(yīng)超臨界干燥和常壓干燥。無(wú)機(jī)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(qū)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(qiáng)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(qiáng)度或者利用表面改性減小或消除干 燥應(yīng)力。干燥過(guò)程即用空氣取代濕凝膠孔隙中的溶液并排出。
圖8：氣凝膠合成工藝
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(dá) 100Mpa-200MPa 的干燥 應(yīng)力，該應(yīng)力會(huì)使凝膠結(jié)構(gòu)持續(xù)收縮和開(kāi)裂，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(dāng)溫度和壓力達(dá)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(zhuǎn)化為無(wú)氣液相區(qū)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(dāng)超臨界流體從凝膠排出時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致其網(wǎng)絡(luò)股價(jià)的收縮及結(jié)構(gòu)坍塌， 從而得到具有凝膠原有結(jié)構(gòu)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(xiǎn)，且設(shè)備復(fù)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(xiǎn)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(xì)管作用力，避免在去除溶劑時(shí)凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而實(shí)現(xiàn) 常壓干燥。常壓干燥前通常需要對(duì)濕凝膠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的透析和溶劑置換處理。常壓干 燥設(shè)備成本與能耗成本相對(duì)較低、設(shè)備簡(jiǎn)單，但是對(duì)配方設(shè)計(jì)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。
表3：超臨界干燥和常壓干燥路線(xiàn)對(duì)比
來(lái)源：西部證券，5G行業(yè)觀察公眾號(hào)
說(shuō)明：整理僅供學(xué)習(xí)交流，如有不適請(qǐng)聯(lián)系我們，謝謝！