中國氣凝膠產業迎來“豪邁時刻”

厚度不到一厘米的氣凝膠板材,正面經受1300℃的火焰噴射,背面依然可以用手摸、用臉貼;將其放在花瓣上,不會把花壓倒;沾上水後,又能像荷葉一樣防水……

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的高新技術及產品之一。從某種意義上講,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,中國氣凝膠產業也迎來屬於自己的“豪邁時刻”。

政策:豪邁的動力

【關鍵詞】:新材料發展歷程規模化

政策的扶持往往是產業發展的動力。

隨著“十三五”規劃對未來五年發展方向作出總體定位,近期新材料行業相關的配套政策也在密集出臺。2016年3月中旬,工信部、發改委、科技部、財政部聯合出臺瞭《關於加快新材料產業創新發展的指導意見》,2016年底,國傢新材料領導小組正式成立。不僅國傢層面,行業內部對新材料產業,尤其是氣凝膠產業也異常關註。

4月7日,由中國綠色建材產業發展聯盟主辦,旨在促進氣凝膠行業應用發展,解讀產業政策,展示行業全景,調研行業痛點的“2017全國氣凝膠材料創新應用研討會”在京召開,工信部原材料司建材處相關人員表示,當前制約氣凝膠大規模應用的因素是價格和生產工藝,下一步將鼓勵科研機構和代表性企業開展產學研用的平臺建設,加快推進氣凝膠應用示范工程。

隨著國傢政策的推進和行業關註度的與日俱增,氣凝膠產業的發展脈絡也成為人們關註的重點。

氣凝膠是由美國科學傢基斯特勒(Kistler)於1931年發明的。它的發明者之所以將其命名為氣凝膠(空氣替換凝膠),是因為在沒有破壞固態結構的情況下,用空氣將膠體中的液體組分替換出來。盡管這一有趣的材料擁有一些奇異的性質,但是直到1970年,氣凝膠才引起瞭人們足夠的興趣。

近年來,化學材料、微觀和介觀材料、物理化學雜志等期刊更願意接受氣凝膠的相關研究。較高的引用次數以及高頻次的刊登,說明氣凝膠研究已經得到瞭足夠而廣泛的重視。

在1970年後,氣凝膠的發展歷經瞭三次高潮。第一次出現在20世紀70年代到80年代。這次意義深遠的革新是將水玻璃/水系統用有機前驅體和對應的有機溶劑進行替代從而快速地制備氣凝膠。該時期代表性的工作有Teichner的小組在1968年對TMOS的使用,Russo等人在1986年對更為安全的TEOS的使用以及二氧化碳超臨界幹燥技術。重要的是,醇化物的水解和縮聚反應相對簡單且易控制,這就加快瞭氣凝膠的發展過程。第一屆和第二屆國際氣凝膠研討會分別在1985年和1988年舉行。這是最早以氣凝膠為主題的特殊會議,也極大地促進瞭氣凝膠領域的發展。

第二次高潮出現在20世紀90年代。這時期的重大事件是有機氣凝膠和碳氣凝膠的誕生以及表面修飾常溫幹燥技術的發明。在理論方面,以德國維爾茲堡大學的Fricke教授課題組為主導的研究者對氣凝膠的力、熱、光、電、聲等物理性能、規律以及控制方法進行瞭深入研究,也大幅促進瞭氣凝膠應用設計的發展。因此,許多應用性研究和工業化嘗試積極地進行,氣凝膠成為瞭極具競爭優勢的材料。此外,第三到第六屆國際氣凝膠研討會繼續推進著氣凝膠研究的發展。許多潛在的應用在這些研討會上被提出、討論並且至今還在研究之中。

第三次高潮是從21世紀初至今,從某種程度上說這是自然會發生的蓬勃過程,在此期間也是碩果累累。Gash在2001年研究瞭一種通用的方法來制備各種氧化物氣凝膠,這種方法用無機鹽作為前驅體,環氧化物作為凝膠促進劑。Brock同過改變膠體成分、溶膠凝膠過程以及超臨界幹燥過程獲得瞭硫化物氣凝膠。2006年,梯度密度氣凝膠在成功捕獲高速的彗星和宇航空間粒子後順利返回地球。此後,一系列新氣凝膠被成功制得,包括碳納米管氣凝膠,石墨烯氣凝膠,碳化物氣凝膠以及單質氣凝膠。此外,氣凝膠的性能,應用價值,商業化價值在這期間也得到瞭空前發展,越來越多的科學傢、工程師、政府官員以及公眾聚焦於此,這使得氣凝膠發展前途一片光明。

目前制約氣凝膠市場壯大的最主要因素是價格,過高的定價讓許多嘗試者望而卻步。一旦氣凝膠材料的生產成本顯著下降,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。

誰會是成為氣凝膠領域的“華為”,我們拭目以待。

科技:豪邁的底氣

【關鍵詞】:科研領域科技研發節能納米

科技的大步跨越,諸多研發力量的投入,為我國氣凝膠產業增添瞭豪邁的底氣。

業內人士告訴記者,如果做到極致,氣凝膠這種固體甚至能飄在空氣中;正面經受1000多攝氏度的火焰噴射,背面依然可以用手摸。但難點也在如何做到極致。

氣凝膠的形成過程,業內專傢舉瞭這樣一個例子:“做豆腐的程序大傢都熟悉,我們首先要用原料做成豆漿,然後凝固變成豆腐,如果將豆腐裡面的水分擠出去就是豆幹,變成豆幹後體積大幅減小。氣凝膠的制備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,所以比較難。”

面對氣凝膠制備方面的難題,諸多國內外科研領域機構研究人員投身其中。目前,國際上關於氣凝膠材料的研究工作主要集中在美國的加州理工學院、德國的維爾茨堡大學等一流大學科研機構;國內主要集中在同濟大學波爾固體物理實驗室、國防科技大學、清華大學、浙江大學、哈爾濱工業大學等知名院校。當前,中國高校在氣凝膠科研領域的專業程度以及中國企業在低成本氣凝膠制造技術方面的探索能力,均走在世界前列。

由德國資助成立的同濟大學波爾固體物理研究所早在1991年就將氣凝膠確定為研究方向之一。由於與德國關系緊密,該實驗室得以迅速獲得氣凝膠制備技術,使得同濟大學氣凝膠方面的研究在短時間內迅速達到瞭國際先進水平。

到2000年左右,由於居高不下的成本及大規模工業化生產難以取得技術突破,氣凝膠始終沒有作為一個產業發展起來。近幾年,由於能源需求緊張、全球生態環境惡化等原因,學界和業界又開始攻關氣凝膠的產業化。

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,預計到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。

另一研究報告稱,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之二。

氣凝膠材料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的,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具有巨大的發展空間。

應用:豪邁的心聲

【關鍵詞】:多領域應用神奇材料建築節能

國內科研院所、企業如此費盡心機的研究氣凝膠的意義何在?

氣凝膠被稱為“改變世界的神奇材料”,又被稱為“終極保溫絕熱材料”、“超級海綿”,可用於捕捉空間粒子,正是因其具有的諸多優異性能,世界上主要國傢都在投入巨資采用昂貴的技術設備生產氣凝膠。我國目前已將其列入國傢戰略性新興產業。氣凝膠的應用領域眾多,從高大上的航天軍工到接地氣的節能建材,從宇航服到冬暖服,在未來5年裡,工業建築領域的節能降耗應該是氣凝膠行業革命的主戰場。

在工業領域中,電力儲能、石油化工等行業凡是需要管道保溫或者窯爐保溫的部位都需要用到高效保溫材料,納米孔氣凝膠復合絕熱材料是首選。

在建築領域中,建築墻體保溫、屋面地板保溫,以及氣凝膠玻璃在玻璃幕墻上的應用。

在交通運輸領域中,納米孔氣凝膠復合絕熱材料已經應用在高鐵列車、國產C919客機、以及新能源汽車上,主要集中應用點是運輸工具的隔熱保溫、以及新能源汽車鋰電池的保護。

在傢用保溫和冷鏈物流領域中,納米孔氣凝膠復合絕熱材料替代傳統材料,用作保溫層,大幅提高保溫效果,增大內部容積。

在功能性裝備中,使用氣凝膠超薄夾層制作出的氣凝膠夾克及其他戶外用品。

國內市場氣凝膠行業起步較晚,前期主要是國外氣凝膠產品在銷售,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的迅速擴大,氣凝膠行業駛入瞭快速發展通道。

當前,中國科研院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。

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