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氣凝膠是一種性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的納米級多孔固態(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、有機氣凝膠、碳氣凝膠、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，同時也是目前研究時間最長、溶膠-凝膠機理最為成熟、制備工藝最為完善的氣凝膠。據(jù)統(tǒng)計，2021年全球氣凝膠市場規(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)用場景。

表 2 不同氣凝膠優(yōu)缺點及應(yīng)用場景

資料來源：《氣凝膠材料的研究進展》、《氣凝膠材料及其應(yīng)用》

氣凝膠的應(yīng)用場景

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，消費占比達到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)的進步，應(yīng)用場景十分廣闊，是具備成長空間的大賽道和大單品。

圖 1 氣凝膠消費結(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法以改善氣凝膠脆性、增強力學(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：一類是有機纖維（聚丙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維等）；另一類是無機纖維（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制備氣凝膠復(fù)合材料可以加強氣凝膠的力學(xué)性能，使二氧化硅氣凝膠的實用性進一步增強。目前市場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，國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)量達到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）的作用下進行水解縮聚反應(yīng)后形成溶膠，進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)，可實現(xiàn)對凝膠骨架微觀結(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單經(jīng)濟的方法，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)，是指使用纖維增強法以改善氣凝膠脆性、增強力學(xué)性能制備的氣凝膠復(fù)合材料，在實際應(yīng)用時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、壓強均提升至其超臨界點以上，從而消除凝膠孔洞內(nèi)的氣液界面，是對樣品進行干燥的方法。為了避免溶劑的蒸發(fā)，在超臨界干燥前會預(yù)先向高壓釜內(nèi)充入一定量的N₂，從而達到預(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溶劑與液態(tài)CO₂兩類，與有機溶劑相比，選用液態(tài)CO₂作干燥介質(zhì)操作更為安全，同時較低的超臨界溫度及壓力會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)基團也會相對穩(wěn)定存在，但CO₂超臨界干燥存在漫長的溶劑替換過程，同時要求被替換的溶劑能夠與液態(tài)CO₂互溶，因此時間成本較高。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凝膠骨架造成破壞。通常在進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，之后對凝膠表面進行修飾處理，即將凝膠表面親水的羥基替換為疏水的甲基，最后再進行干燥。相對于超臨界干燥而言，常壓干燥在保持氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的同時也有效地降低了干燥過程是的危險性，是4種常見的干燥方法中操作最簡單、使用最經(jīng)濟的方法。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)短路以及機械破壞均可能引發(fā)動力電池組的熱失控，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《電動汽車用動力蓄電池安全要求》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間。電池廠、主機廠一般在電芯之間、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的厚度即可達到同等的隔熱效果，為動力電池及整車節(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及整車級別的立體式防火隔熱系統(tǒng)，以使電動汽車滿足GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中的熱擴散防護標準。

二、氣凝膠在傳統(tǒng)的建筑保溫材料方面，替代市場廣闊

傳統(tǒng)的建筑保溫材料是千億級市場，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、工廠、家庭取暖制冷等場合，日常需要耗費大量電能來維持建筑內(nèi)特定的溫度，使之達到相應(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)會數(shù)據(jù)，2021年我國外墻保溫材料的市場規(guī)到模已達到1718.70億元，2015-2021年的年均復(fù)合增速高達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。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)與燃燒等級均占優(yōu)勢，為達到同樣的建筑節(jié)能設(shè)計標準，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，對材料的運輸、施工、使用空間等都會造成較大影響。因此，采用技術(shù)先進、高效保溫的材料對熱力管道進行節(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，使氣凝膠達到十分出眾的絕熱效果，甚至遠低于常溫下靜態(tài)空氣0.025W／(m·K)的導(dǎo)熱系數(shù)，達到0.013W／(m·K)以下。對比傳統(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，論文通過對高溫管道改造前后對比分析計算表明：（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，是煉油企業(yè)高溫管道的理想選擇。