說起氣凝膠，想必大家已經(jīng)不陌生了，它號(hào)稱是“世界上最輕的固體”，因?yàn)橘|(zhì)量輕、隔熱強(qiáng)、承受力大，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，甚至我們剛剛送上火星的“祝融號(hào)”，里面就有它的貢獻(xiàn)。被包裹在表面的一層氣凝膠，對(duì)載荷負(fù)擔(dān)極低，能保護(hù)火星車承受進(jìn)入火星大氣層達(dá)到1200℃的高溫沖擊，同時(shí)減緩震動(dòng)完美著陸。
相比于普通多孔材料，氣凝膠有一個(gè)重要的特點(diǎn)：其骨架在納米尺度。因此，當(dāng)可見光穿過時(shí)散射較小，看上去像“凍住的煙”。
輕如無物的氣凝膠
氣凝膠的分類
無機(jī)氣凝膠 | 有機(jī)氣凝膠 | 混合氣凝膠 | 復(fù)合氣凝膠 |
氧化物、氟化物、碳化物、混合氧化物 | 醛系、脲衍生物、聚合物 | 有機(jī)+無機(jī) | 纖維增強(qiáng)氣凝膠其他復(fù)合氣凝膠 |
SiO2 （應(yīng)用最廣）、ZrO2、Al2O3 氣凝膠，炭氣凝膠與碳化物氣凝膠， 纖維/二氧化硅氣凝膠 | |||
氣凝膠在世界范圍內(nèi)起步很早，可追溯到1931年，當(dāng)時(shí)美國斯坦福大學(xué)的Samuel Stephens. Kistler提出要證明一種具有相同尺寸的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固體“凝膠”，是從濕凝膠中驅(qū)除液體而不破壞固體形狀。按照通常的技術(shù)路線，很難做到這一點(diǎn)，一旦讓濕凝膠干燥，凝膠將會(huì)收縮，這種收縮經(jīng)常是伴隨著凝膠的嚴(yán)重破裂。Kistler采用乙醇超臨界干燥技術(shù)，制備出世界上第一塊氣凝膠——SiO2氣凝膠，他預(yù)言氣凝膠在催化、隔熱、玻璃和陶瓷等領(lǐng)域有極大的應(yīng)用價(jià)值。
氣凝膠的超強(qiáng)隔熱性能
但在其后幾十年的發(fā)展里，氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化幾經(jīng)波折，已經(jīng)歷了三次產(chǎn)業(yè)化，目前正在第四次產(chǎn)業(yè)化的迅速發(fā)展中。在這期間，擴(kuò)展了新的技術(shù)方向與應(yīng)用市場(chǎng)，誕生了真正將氣凝膠商業(yè)化運(yùn)作的著名公司。
氣凝膠產(chǎn)業(yè)化發(fā)展歷程
國內(nèi)最早于1955年，由同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理研究所對(duì)氣凝膠展開研究。隨后，清華大學(xué)、東華大學(xué)等高校也涉足過這個(gè)領(lǐng)域。中國技術(shù)工作者在常壓干燥領(lǐng)域投入精力較多，到2004年，國內(nèi)開始出現(xiàn)從事氣凝膠材料產(chǎn)業(yè)化研究的企業(yè)，逐步推動(dòng)氣凝膠市場(chǎng)的成熟化、規(guī)模化，擴(kuò)展和開發(fā)新興應(yīng)用領(lǐng)域，成為氣凝膠第四次產(chǎn)業(yè)化的主力軍。
超臨界與常壓干燥技術(shù)的對(duì)比
干燥技術(shù) | 超臨界干燥 | 常壓干燥 |
設(shè)備投入 | 常要高壓釜，一般工作壓力高達(dá)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(yùn)行和維護(hù)成本也較高 | 采用常規(guī)的常壓設(shè)備,設(shè)備投入低,設(shè)備系統(tǒng)也較為簡(jiǎn)單 |
生產(chǎn)成本 | 硅源:采用有機(jī)硅源,價(jià)格較為昂貴，但是純度高,工藝適應(yīng)性好；設(shè)備投入：較高； 能耗方面：干燥系統(tǒng)耗也較高,蒸汽消耗方面兩者差別不大。 | 硅源:可采用水玻璃，價(jià)格低廉,但是雜質(zhì)較多，去除雜質(zhì)的工藝較為繁瑣； 設(shè)備投入：較低； 能耗方面:干燥系統(tǒng)耗電較低 |
產(chǎn)品性能 | 產(chǎn)品沒有任何顯著或?qū)嵸|(zhì)意義的區(qū)別,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(bào)道。 | |
技術(shù)門檻 | 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(duì)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)較為成熱可靠,進(jìn)入技術(shù)門檻相對(duì)較低 | 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(duì)配方的設(shè)計(jì)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(biāo)也不能達(dá)到要求 |
拓展空間 | 采用超臨界干燥技術(shù)的設(shè)備設(shè)備投入將高達(dá)數(shù)十億，前期投入過大，一般企業(yè)很難維持。 | 隨著規(guī)模擴(kuò)大，投入產(chǎn)出比會(huì)進(jìn)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。 |
但國內(nèi)的氣凝膠自主創(chuàng)新之路經(jīng)歷了不少坎坷，2018年，美國國際貿(mào)易委員會(huì)（ITC）對(duì)美國阿斯彭氣凝膠股份有限公司（Aspen Aerogels）提出的氣凝膠隔熱復(fù)合材料及其制造工藝侵權(quán)申訴做出調(diào)查仲裁：裁定兩家中國公司存在侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為。
此次調(diào)查事件引起了國內(nèi)氣凝膠行業(yè)及科研人員對(duì)氣凝膠專利產(chǎn)權(quán)的高度重視，氣凝膠專利申請(qǐng)中新增的申請(qǐng)人數(shù)量逐年快速增加，目前主要集中在氣凝膠制備工藝及設(shè)備上，這也是氣凝膠產(chǎn)業(yè)化的需要重點(diǎn)突破的方向，表明國內(nèi)已經(jīng)有大批企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)涌入這一領(lǐng)域。
國家高度重視氣凝膠的推廣應(yīng)用，將其列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，相關(guān)政策逐步完善。氣凝膠的應(yīng)用極為廣泛，一般用于絕熱、隔熱材料，隔音材料，催化劑，吸附劑；在新能源方面，例如新型電池、儲(chǔ)氫材料也有所應(yīng)用。
據(jù)中國石油管道科技研究中心評(píng)估，以350℃蒸汽管道的保溫應(yīng)用為例，相比于傳統(tǒng)保溫材料，氣凝膠的保溫厚度減少2/3，節(jié)約能耗40%以上，每公里管道每年可減少二氧化碳排放125噸。
氣凝膠的應(yīng)用
中國二氧化硅氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模
國內(nèi)自主崛起，技術(shù)逐步成熟，產(chǎn)能快速擴(kuò)張，現(xiàn)今國內(nèi)已涌現(xiàn)了一批包括埃力生高新科技有限公司、中國化學(xué)華陸科技有限公司、愛彼愛和新材料有限公司等可規(guī)模化生產(chǎn)氣凝膠及氣凝膠復(fù)合材料的有實(shí)力的企業(yè)，現(xiàn)階段我國氣凝膠產(chǎn)品下游主要集中在油、氣、工業(yè)管道保溫等領(lǐng)域，但發(fā)展?jié)摿薮螅诩舛搜芯款I(lǐng)域如航空航天、醫(yī)藥等方面已頗具成果，只待產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，早日讓我國氣凝膠產(chǎn)業(yè)步入新的階段。
參考來源：
1.“膠黏劑在線”微信公眾號(hào)文章：《氣凝膠，一個(gè)百億美元空間的新材料賽道》；
2.中國科學(xué)院官網(wǎng)科普文章：《世界上最輕的固體——?dú)饽z》；
3.https://wenku.baidu.com/view/5e1e3c445a1b6bd97f192279168884868662b813.html
粉體圈 小吉
作者：粉體圈
總閱讀量：1841供應(yīng)信息
采購需求
粉體圈首頁
