全新保溫材料氣凝膠的革命性探索

性能多面手 節能應用廣

很多氣凝膠材料產業化推進人員,在向人們介紹氣凝膠時,都會被問到“氣凝膠是一種膠水嗎?”這個從“aerogel”翻譯過來的“氣凝膠”確實在理解上頗有難度。

氣凝膠既然不是膠水,那它到底是何種材料呢?

同濟大學的沈軍教授用一個形象的比喻介紹過氣凝膠:“做豆腐大傢都熟悉,首先用原料做成豆漿,然後凝固成豆腐。如果將豆腐中的水分擠出去就是豆幹。變成豆幹後體積大幅減小,氣凝膠類似於要將豆腐裡的水分擠出去,但體積又不能縮小,要補充氣體進去。”隻要讓凝膠中的液體被氣體取代,同時凝膠的網絡結構基本保持不變,得到的材料就稱為氣凝膠。

從結構上講,氣凝膠是一種具有三維開孔網狀結構的材料,這些網狀結構由一些連續的納米粒子或是聚合物分子裝配而成。氣凝膠納米粒子及孔徑尺寸在1~100nm。氣凝膠90%以上的體積都是空氣,被稱為“固體煙”。氣凝膠不僅作為世界上最輕的固體材料被載入“世界吉尼斯紀錄”,且其具有極低的導熱系數(0.013~0.025W/(m.K)),極低的介電常數(1.1~2.5),極高的比表面積(500~1000m2/g),從而在力學、聲學、熱學、光學等方面顯示出獨特的性質。

氣凝膠具有多種獨特性能,應用領域也很廣泛。例如利用氣凝膠多表面積的吸附性能極強的特點,可將氣凝膠應用於環保領域;利用其多孔減震抗震的性能特點,可用於防爆吸能需求;利用氣凝膠材料的超輕保溫的性能特點,將其應用於登山服裝等領域。

氣凝膠的實際應用是從航天領域開始的。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上,用氣凝膠材料來進行熱絕緣,氣凝膠材料可以適應-196至1400攝氏度的溫度,且因其導熱系數極低,可保證探測器在極端溫度下正常工作。美國國傢宇航局的“星塵”號飛船還用氣凝膠收集彗星微粒,氣凝膠多孔尺寸和其極輕的重量使氣凝膠能像一個柔軟的棒球手套,從而讓高速飛行的彗星星塵在運行一段時間後停下。

截止到目前,氣凝膠材料最廣泛應用是其優異的絕熱性能。以氣凝膠復合絕熱氈為主要產品,氣凝膠材料在工業管網及窯爐、石油化工設備、建築、低溫設備及保冷等領域有著廣泛的應用前景。應用於這些領域時,氣凝膠復合絕熱氈兼具保溫效果好、A級防火、高疏水等優越特點,使用壽命可達20年之久,以絕對的優勢位於保溫材料的金字塔頂。

深化氣凝膠 產業攻克行業瓶頸

氣凝膠材料因其獨特的結構性能特點及廣闊的應用前景,一經發現就引起瞭廣泛的研究興趣,在氣凝膠產業化的道路歷史過程中,最當銘記的節點是1999年美國AspenSystems公司承接美國宇航局的課題制備出纖維復合的氣凝膠超級絕熱材料,然後於2001年成立瞭AspenAerogel公司進行氣凝膠的商業化運作,拉開氣凝膠作為超級絕熱材料產業化序幕。2015年10月26日,Aspen公司位於東普羅維登斯工廠的第三條氣凝膠生產線進行瞭投產剪彩儀式。

國內氣凝膠研究起步於上世紀90年代,集中於同濟大學、清華大學、中南大學、國防科大等著名大學中,氣凝膠商業化運作公司集中於浙江納諾、廣東埃力生、航天烏江、北京建工等公司。中國氣凝膠行業屬產業化前期,表現出規模小、產量低、資金短缺、大規模商業化應用少的現狀,而這些癥狀背後存在的原因可歸納為四個方面。

一是核心技術實力有待提高。

氣凝膠產業化的基礎和前提是保證科研實力的領先和不斷進步。法規、政策、標準、投入、技術等對氣凝膠產業的發展都至關重要,而關鍵技術更是發揮著直接驅動作用。企業要想在競爭激烈的市場中生存與發展,必須緊緊依靠技術創新,不斷適應環境形勢變化,掌握關鍵核心技術,持續推進關鍵核心技術領先,才能實現長遠發展。氣凝膠產業面臨產業層次不高、對基礎和核心技術的跟蹤、投入嚴重不足、參與國際競爭能力不強等問題,這些問題歸根結底在於技術創新能力不強,關鍵核心技術掌握不足,性能和效率有待提高。這些問題都從不同方面、不同程度地限制瞭我國氣凝膠產業的發展。

二是系統化政策支持待落地。

氣凝膠產業是一個典型的高科技高附加值的產業,但也意味著高風險、高投入,其產業化發展要依靠國傢政策的積極引導和具體支持。2014年和2015年,發改委連續兩年將氣凝膠材料列為《國傢重點節能低碳技術推廣目錄》,這就是一個積極的政策引導。但就目前總體而言,國傢引導和支持比較分散,缺少國傢層面的全局性規劃。在已出現的一些引導政策上,尚需要具體的實施措施及細則將其落地,才能為氣凝膠產業化發展帶來積極效應。

三是企業之間需協同發展。

氣凝膠行業屬於萌芽發展階段,在這個階段,理應需要各企業協同發展,共同推進整個行業的興起。但縱觀現有的為數不多的氣凝膠企業,各企業基本上屬於各自為戰的模式,還未形成良好的協同發展效應。甚至在一些試驗應用需求上,出現瞭低價競爭現象。在這方面,中國綠色建材產業發展聯盟氣凝膠創新應用推進中心,正進行一些積極的嘗試。中心旨在聯合相關科研院校、企事業單位,聚焦氣凝膠應用相關技術難點,搭建“政-產-研-用”的專業交流平臺。

四是市場培育需要周期。

作為新興行業,氣凝膠新材料產業化,特別是其市場培育需要經歷一個漫長的過程。一方面,氣凝膠材料相比於傳統保溫材料,表現出明顯的應用優勢,另外一方面,氣凝膠材料產業化前期生產成本要高於現有同類產品,市場培育、產品推廣需要逐步得到客戶的接納和認可。

鑒於此,作為工信部授權的建材行業研發推廣的平臺,氣凝膠創新應用推進中心將聚焦行業先進理念,持續推進關鍵核心技術,著力推進政府部門、生產單位、研發機構、應用單位聯動,形成新材料技術成果轉化的聯合體,系統推進氣凝膠的產業化技術研發與市場應用。同時,積極會同政府部門協同產業聯盟等組織策劃戰略性新興產業專項資金、創投基金,支持氣凝膠產業化技術、工程應用技術、標準、工法的深入研發和創新,保持國際競爭力,推動高科技成果轉化。從氣凝膠研究生產開始到應用服務結束,全方位、多角度為推進氣凝膠產業發展發揮能量。

產業需支持 中心來帶頭

氣凝膠產業是一個典型的高科技高附加值的產業,但也意味著高風險、高投入,產業化需要大量的關鍵技術積累,產業化過程中需要大量時間和資金的投入。氣凝膠產業雖然發展前景無限,但是更需要國傢、社會多方面的支持。

科研方面,國傢應加大氣凝膠領域內的資金投入,精準扶持科研機構、氣凝膠企業研發平臺取得氣凝膠突破性研究。

企業方面,國傢應加大政策和資金扶持力度,將政策的杠桿更多地傾向於氣凝膠產業化運作,重點資金扶持10傢左右自主創新程度高的氣凝膠產業化公司,培育氣凝膠產品龍頭企業,整合企業現有技術、制造設備、優勢資源及已有市場,進行產品的技術升級和大規模商業化應用。

氣凝膠創新應用推進中心將牽頭通過樹立標桿氣凝膠企業示范形象,形成一呼百應的氣凝膠產業化聚合效應,推動行業攻克瓶頸,從而全方位拉動我國氣凝膠產業化的發展,快速融入國際氣凝膠產業化進程。

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