氣凝膠到底是什麼材料?

一、氣凝膠定義:

凝膠,又稱為幹凝膠,是化學溶液經反應,先形成溶膠,再凝膠化獲得的凝膠,除去凝膠中的溶劑,獲得的一種空間網狀結構中充滿氣體,外表呈固體狀密度極低的(接近空氣密度)多孔材料

氣凝膠到底是什麼材料?

氣凝膠具有超輕、低密度、納米微孔,特征是,具有超細蜂窩孔尺寸和多孔結構,由相互連接的聚合鏈連接而成。孔徑一般低於 100 nm,氣凝膠顆粒尺寸通常小於 20nm。它可以由無機材料(如二氧化矽、氧化鋁等),有機材料(如聚酰亞胺、碳等),或混合材料(如凝膠玻璃等)而制得。

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二、氣凝膠概述:

氣凝膠,是一種具有納米多孔結構的新型材料,1931年由美國Kistler.S.發明,因輕若薄霧藍色泛藍,又被稱為“藍煙”、“凍結的煙”,創下15項吉尼斯紀錄,在熱學、光學、電學、力學、聲學等領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大熱門科學技術之一,是具有巨大應用價值的軍民兩用技術。

氣凝膠是目前世界上最輕、隔熱性能最好的固態材料,被入選世界吉尼斯記錄,氣凝膠具有極低密度、極低熱導率、高比表面積、高孔隙率的特性,最初被廣泛應用於航空航天、軍事工業等高端技術領域,隨著中國經濟轉型升級及實施國傢納米材料戰略,氣凝膠納米材料已逐漸在工業、建築、汽車及電子等行業廣泛應用。

氣凝膠因成分不同,主要有二氧化矽氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠和碳氣凝膠等。當前,二氧化矽氣凝膠的絕熱性能最為引人註目,技術也最為成熟,國內外氣凝膠的產業化發展大多圍繞二氧化矽氣凝膠絕熱應用展開,下文如未特別說明,所稱氣凝膠均為二氧化矽氣凝膠。

伴隨著中國經濟轉型升級,節能降耗政策的持續大力推進,以及中國實施多年的納米材料戰略,氣凝膠材料近年來受到瞭政府、學術界、企業界和投資界的廣泛關註。

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及產品之一,某種意義上,中國氣凝膠產業的發展,對世界氣凝膠產業的發展將產生越來越大的影響。

當前,中國大學及研究所在氣凝膠領域研究的深度和廣度,中國企業在低成本氣凝膠制造技術方面的鍥而不舍,均走在瞭世界的前面。或許未來我們會看到有一傢企業成為氣凝膠領域的華為,依靠技術創新和低成本在全球攻城拔寨。

三、氣凝膠的分類:

氣凝膠,按照其基體的化學性質可分為 4 大類:

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無機氣凝膠:

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  • 1、氧化物(如二氧化矽,氧化鋁,二氧化鈦);
  • 2、氟化物(如氟化鎂,氟化鈣);
  • 3、碳化物(如碳化矽,碳化硼);
  • 4、氮化物(如氮化硼,氮化鈦);
  • 5、混合氧化物(如二氧化鈦-氧化矽,氧化釩-二氧化鈦)。

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有機氣凝膠:

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  • 1、醛系(如間苯二酚-甲醛,三聚氰胺-甲醛……);
  • 2、脲衍生物(如氨基甲酸乙酯氣凝膠);
  • 3、聚合物(如聚酰亞胺,聚甲基丙烯酸甲酯,聚苯乙烯,聚雙環戊二烯);
  • 4、碳類,包括碳納米管。

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混合氣凝膠:

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  • 混合氣凝膠含有有機和無機相,主要有機相,由二氧化矽氣凝膠改性而來。
  • 如二氧化矽/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)……

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復合氣凝膠:

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  • 氣凝膠復合材料,是由兩種或兩種以上具有不同化學和物理性質的材料制成;一種材料形成基體(或連續相),其它材料形成分散相。氣凝膠復合材料中,氣凝膠可被用作基體,也可用作分散相。
  • 1、纖維增強氣凝膠;
  • 2、其它氣凝膠復合材料。

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四、氣凝膠的制備:

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五、氣凝膠的特性:

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六、氣凝膠的隔熱原理:

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無對流效應:

氣凝膠納米材料中的氣孔直徑小於70nm, 氣孔內的空氣分子就失去瞭自由流動的能力,處於近似真空狀態,無法進行熱對流。

無窮遮擋效應:

氣凝膠的氣孔為納米級氣孔且氣凝膠自身具有極低的密度,氣凝膠內的氣孔趨於“無窮多”,每個氣孔壁都具有遮熱板的作用,因而產生近於“無窮多遮熱板”效應,使熱輻射降到最低。

無窮長疏松路徑效應:

氣凝膠的密度極低、比表面大且體積骨架疏松,氣凝膠有無窮多的納米氣孔,熱量在氣凝膠固體材料中沿著氣孔壁傳導,有無窮多的氣孔壁構成“無窮長疏松的路徑”效應,使固體熱傳導的能力下降到接近最低極限。

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氣凝膠產品與其它傳統隔熱材料隔熱性能相比, 導熱率最低,隔熱效果優勢明顯,氣凝膠材料導熱系數隨溫度變化很小,傳統保溫材料隨著溫度升高,導熱系數變化很大,隔熱效果會變差。

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七、國內外氣凝膠的市場分析:

1.全球氣凝膠市場情況

Allied市場研究公司2014年6月發佈的報告稱,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,在預測期內(從2014–2020)的年復合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應用領域探索的持續進步,市場預計,隨著時間的推移市場增長的動力會進一步增強.

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據瞭解,美國Aspen公司2008~2013年的復合增長率為33.8%,Allied公司的報告可以認為是主要基於美國Aspen公司業績情況的較為保守的預測報告,實際上隨著亞太市場的發展,特別是中國氣凝膠企業的崛起,氣凝膠行業未來的發展將顯著加快。

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據Freedonia研究公司報告,在2010年,全球絕熱材料市場估計規模為321億美元,未來年增長率為 6.3%,到2019年可達556億美元。其中工業和設備領域約占總份額三分之一,建築領域占總分額的三分子二。

氣凝膠材料目前占據瞭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模幾乎是微不足道,這一方面說明氣凝膠產業仍然處於早期起步階段,同時又預示著其未來巨大的發展空間。

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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成本得以顯著下降,市場規模就會急劇擴大,產品銷量也會迅速擴大,並將革命性地替代傳統絕熱材料。

那麼氣凝膠爆發的拐點在何時?實際上隨著氣凝膠材料市場價格不斷下降,目前在工業絕熱領域,采用氣凝膠材料的工程總造價已經接近采用傳統保溫材料,但卻具有節能、節省空間、防腐、長壽命等顯著優點。熱象納米節能依據多年產業數據和經驗判斷,氣凝膠快速發展的拐點其實已經悄然到來,一些技術領先的氣凝膠企業將獲得爆發式的發展!

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氣凝膠行業整體上進入爆發式的增長階段,預計年復合增長率高達55%以上,並在未來10年將迅速替代傳統絕熱材料,特別是在工業和設備領域,替換得速度會更快,未來5~10年,可能達到每年19~170億美元的規模。

2.國內氣凝膠市場情況

國內市場起步較晚,前期主要是國外氣凝膠產品在銷售,價格較昂貴,市場推廣力度也較小,近年來隨著國內氣凝膠企業逐步增多,實力不斷增強,成本不斷下降,規模不斷擴大,再得益於國內節能減排政策推行和經濟體量的迅速擴大,氣凝膠行業駛入瞭快速發展通道。

2014年國內氣凝膠產量大約在8500立方米,進口產品大約1500立方米,市場規模大約為1.82億元。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產業規模的不斷擴大,一些新興應用不斷開發出來,氣凝膠市場日益成熟。

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中國作為新興經濟體,在市場增長方面將會以快於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年是國內氣凝膠規模的突變之年,新增產能預計達到16000~20000立方米(已經實現量產的主要氣凝膠企業都在大力擴產),實際產量約19600立方米,進口產品約1000立方米,預計市場規模3.30億,2020年將達到37.16億元,2015年到2020年的復合增長率約達61.1%。

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目前國內軍品領域需求主要集中在航天、兵器及艦艇等領域;民用領域的石油化工、軌道交通、電力工業、礦用井下救生艙和城鎮熱力管網已經形成一定的市場規模並繼續快速增長,特種服裝和帳篷、LNG管線、建築節能領域應用也開始少量試用後期市場巨大。

國傢新材料產業“十二五”發展規劃指出,保溫材料產值將達1200億。預計進入“十三五”節能環保產業將繼續獲得快速發展。熱象納米科技推斷,預計2015年到2020年氣凝膠材料將在工業和設備領域獲得大批量應用,2020年開始全面替換傳統工業保溫材料,分享國內每年約500多億的市場。預計2020年開始,氣凝膠材料在建築領域將開始大規模的應用,2025年將全面替代傳統建築保溫材料,分享國內每年1000多億的市場。

八、市場應用較為成熟且經濟性較高是二氧化矽氣凝膠的制備,目前工業,建築及電子行業80%以上的氣凝膠產品以二氧化矽為骨架的多孔納米氣凝膠材料.制備路線如下:

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氣凝膠性能主要由其納米孔洞結構決定,一般通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應凝膠骨架,由於凝膠骨架內部的溶劑存在表面張力,在普通的幹燥條件下會造成骨架的坍縮,氣凝膠制備技術核心在於避免幹燥過程中由於毛細管力導致納米孔洞結構塌陷。

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對應地,為消除應力,一般可以從以下幾個方面采取措施:

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根據幹燥工藝的不同,主要分為超臨界幹燥工藝和常壓幹燥工藝兩種,其他尚未實現批量生產技術還有真空冷凍幹燥、亞臨界幹燥等。

超臨界幹燥技術是最早實現批量制備氣凝膠技術,已經較為成熟,也是目前國內外氣凝膠企業采用較多的技術。超臨界幹燥旨在通過壓力和溫度的控制,使溶劑在幹燥過程中達到其本身的臨界點,形成一種超臨界流體,處於超臨界狀態的溶劑無明顯表面張力,從而可以實現凝膠在幹燥過程中保持完好骨架結構。目前已經實現批產技術一般采用二氧化碳作為幹燥介質,簡稱二氧化碳超臨界幹燥技術。

常壓幹燥一種新型的氣凝膠制備工藝,是當前研究最活躍,發展潛力最大的氣凝膠批產技術。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矽羥基相互結合並提高彈性,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幹燥獲得性能優異的氣凝膠材料。

下面對兩種技術路線做簡要的分析對比:

設備投入:超臨界幹燥技術使用核心設備為高壓釜,一般工作壓力高達7~20MPa,屬於特種設備中的壓力容器,設備系統較為復雜,運行和維護成本也較高,目前國內已有能提供成套制備超臨界設備的廠傢,但數量不多,業主的議價能力較弱。常壓幹燥技術采用常規的常壓設備,相對超臨界幹燥由於不需要高壓條件,設備投入低,設備系統也較為簡單,因為大部分化工設備單位都能加工制造,業主議價能力較強。

生產成本:氣凝膠的生產成本主要集中在矽源、設備折舊和能耗三塊。矽源主要包括水玻璃和有機矽。有機矽價格較為昂貴,但是純度高,工藝適應性好,既可以應用於超臨界幹燥工藝,也可以適用於常壓幹燥工藝,目前國內外采用超臨界幹燥工藝的企業基本上都是采用有機矽源。水玻璃價格低廉,但是雜質較多,去除雜質的工藝較為繁瑣,目前主要應用於常壓幹燥技術中。設備折舊方面,因超臨界幹燥技術設備投資較高,折舊要要高於常壓技術。能耗方面,超臨界幹燥系統耗電要高於常壓 幹燥系統,蒸汽消耗方面兩者差別不大。因此,一般而言采用常壓幹燥技術的生產成本要低於超臨界幹燥。

產品性能:就二氧化矽氣凝膠而言,目前超臨界幹燥技術和常壓幹燥技術生產產品沒有任何顯著或實質意義的區別,基本上超臨界技術能達到技術指標,常壓幹燥工藝都能達到。在非二氧化矽氣凝膠制備方面,超臨界幹燥工藝要成熟很多,不過還沒有量產的報道。

技術門檻:相對而言,超臨界幹燥技術的生產效率、安全性,乃至工藝變更都對設備系統有較高依賴度,如果設備廠傢提供設備系統較為成熟可靠,業主進入技術門檻相對較低,這也是許多氣凝膠行業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。常壓幹燥技術設備的投資門檻較低,但是技術門檻卻較高,對配方的設計和流程組合優化有較高要求,如果技術不過關,不僅生產成本可能高於超臨界,甚至於性能指標也不能達到要求。

拓展空間:超臨界幹燥作為高壓特種設備,如果要擴大生產規模,固定資產投入是巨大的,氣凝膠未來如果要迎接建築保溫的巨大市場,比如達到年產50萬立方米(這僅是目前中小規模建材企業的規模),采用超臨界幹燥技術的設備投入將高達數十億,十分不利於氣凝膠企業的做大做強。而常壓幹燥技術,隨著規模擴大,投入產出比會進一步提高,可以較少投資獲得較大生產規模,因而更能適應未來大生產的需要。此外,受限於矽源,超臨界的原料成本降低空間有限,隻能通過優化系統提高生產效率,而常壓幹燥對廉價矽源有較強接納能力,流程優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,超臨界幹燥技術和常壓幹燥技術各有優勢,都有存在的合理性。但就像過去顯示器領域等離子技術和液晶技術的競爭一樣,二者曾難分伯仲,到現在液晶技術已完全勝出,隨著時間推移,筆者相信,就二氧化矽氣凝膠的制備生產,常壓幹燥技術將最終獲得壓倒性的勝利。

九、氣凝膠發展面臨的問題

中國在2000之後才開始氣凝膠材料的市場化應用。當時氣凝膠產品比較單一,主要是“掉粉”的氣凝膠氈為主,應用在工業管道及設備的保溫隔熱。轉眼間,二十年快過去瞭,氣凝膠雖然被稱為“一種可以改變世界的神奇的材料”寄於厚望,但尷尬是的,氣凝膠產品多樣化及市場應用並沒有得到很快的提升。

“掉粉”是氣凝膠纖維氈在生產過程中無**服的問題, 使用及裁切時”粉塵”對人體健康有害,吸入人體後很難被降解, 使用時需要用玻纖佈或復合層層壓包裹才能正常使用,工藝復合,加工成本過高.

由於”掉粉”的問題,限制瞭氣凝膠在各行業的使用, 很多行業都想利用氣凝膠優異的隔熱性能,但由於環保的問題已做罷.

熱象納米科技面對中國氣凝膠產業發展緩慢的進程,面對如何打破國外氣凝膠技的封鎖,整裝上路,組建一支強有力的氣凝膠研發團隊,致力於氣凝膠高端產品應用開發和氣凝膠產品多樣化,解決氣凝膠“掉粉”的問題,根據產品應用空間要求,突破傳統氣凝膠氈厚度偏厚的問題,使氣凝膠產品輕薄化,解決狹小空間均熱隔熱問題,把氣凝膠的應用從單一工業領域帶到高端的消費類電子、人工智能、柔性顯示及醫療等領域應用。

熱象納米的氣凝膠產品均具有”不掉粉”的特性, 健康環保、使用方便的優勢, 部分產品屬全球首創。熱象納米開發的氣凝膠產品有:氣凝膠隔熱膜、氣凝膠隔熱泡棉、氣凝膠隔熱片 氣凝膠隔熱塗料 氣凝膠相變吸熱儲熱膜等產品.

1. 氣凝膠隔熱膜:

經過特殊工藝、使氣凝膠薄膜化,解決消費電子產品狹小空間的均熱問題、對弱耐熱元件的隔熱保護,可控制改變熱量傳導的方向,提升產品的性能及使用壽命。

氣凝膠隔熱膜不僅解決瞭氣凝膠“掉粉”的問題,同時具體更柔、更輕及更加優異的隔熱性能,可以代替日本松下NASBISE氣凝膠隔熱薄氈、美國GORE隔熱材、日本千代田等隔熱薄氈等產品,這些國外品牌的產品一方面價格昴貴,加一方面由於“掉粉”問題,模切加工時需要先包邊覆膜工藝復雜,模切時由於“掉粉”對模切車間的潔凈度及員工的身體健康也造成影響。

熱象納米開發的氣凝膠隔熱膜,除瞭隔熱性能優異外,價格也很具有競爭力,市場售價隻有國外品牌的三分之一,極大的降低瞭客戶的采購成本,推動國內氣凝膠的應用發展。

氣凝膠隔熱膜利用氣凝膠低導熱率的特點,產品熱導率低至:0.018- 0.022 W/(m .K), 厚度:100μm- 400μm,產品柔性卷材,可滿足圓刀、平刀等多種模切加工,可與石墨片、銅箔等散熱材復合使用。

2. 氣凝膠隔熱泡棉:

新型耐高低溫、阻燃、隔熱緩沖多功能一體化泡棉

氣凝膠納米隔熱泡棉是一種新型納米隔熱材料,幫助電子行業、新能源電池、汽車行業及船舶軍工等行業解決隔熱防火、緩沖減震、隔音降噪、輕量化等方面需求。

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  • 低熱導率: 0.024– 0.030W/(m . K )
  • 耐高低溫性: – 80℃– 300℃
  • 抗永久形變: <10%
  • 緩沖壓縮率: >75%
  • 隔音降噪:0.085- 0.095 NRC
  • 阻燃性 : Ul94- V0
  • 低密度 : 0.04g/cm3

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3. 氣凝膠隔熱片:

氣凝膠隔熱片是熱象納米開發的氣凝膠全新產品,最大的亮點就是“不掉粉”隔熱效果比傳統的氣凝膠氈更優異,柔性易加工模切,符合FDA健康食品級安全.

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4. 氣凝膠相變吸熱儲熱膜:

開辟瞭除石墨片、銅箔、熱管等散熱材料與氣凝膠隔熱材料以外的第三種新型熱管理材料及方案

氣凝膠相變吸熱儲熱膜是一種新型納米熱管理材料,由一種熱容值高的聚合材料與氣凝膠納米孔相結合,通過相變過程中吸熱可將電子芯片急聚的熱量進行吸收儲存,並延遲溫升,消除或減小設備的降頻或死機的風險,也可以作為敏感元器件熱保護材料,通過相變吸熱防止熱量傳遞。

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  • 高熱容值 >200J/g
  • 吸收疏導急聚的熱量
  • 延緩溫升–消除設備降頻或死機
  • 降低產品表面溫度—提升人體熱感的舒適度
  • 可與散熱材料一起配合使用
  • 卷材柔性易模切

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5. 氣凝膠隔熱塗料:

獨特的配方設計,氣凝膠微粉與耐高溫水性樹脂結合、最大的保留瞭氣凝膠納米孔結構和隔熱保溫性能,同時具有優異的耐高低溫、易施工、節能環保的特點。

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  • 1.不受基材限制,設備上異形零件或不規則表面能很好隔熱保溫處理,做到與基材表面無縫結合,提升保溫隔熱效果。
  • 2.幹燥後,減少或消除結露現象,性能不會受到受潮氣影響,結構穩定,耐腐蝕性強。
  • 3.達到相同的保溫效果,塗層更薄,節省空間及成本。
  • 4.防止保溫塗料下基材的腐蝕,具有卓越的耐久性和耐候性。
  • 5:減少輻射熱,保持內部溫度更加穩定,最外層導熱系數低,防燙傷,體感舒適,環保,不危害健康。
  • 6:施工周期短,使設備停機時間同時大大縮短,方便設備檢修,使用壽命10年以上。

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