氣凝膠玻璃或成節能玻璃新星

11月2日,國內首條規模化氣凝膠玻璃生產線在這裡正式啟動,它能造出的最大透明氣凝膠玻璃的尺寸是1.3米×0.8米。

這是一次“試水”。中南大學材料科學與工程學院盧斌博士介紹說,目前這一生產線的產能主要是為瞭引導和培育市場而建設,隨著市場培育的深入以及國傢建築節能標準的不斷提高,預計兩三年內,市場需求將會得到一定發展,尤其是在公共建築以及既有建築節能改造領域,屆時公司的大規模生產線將竣工投產。

高端透明氣凝膠的產業化

二氧化矽氣凝膠又被稱作“藍煙”、“固體煙”,是目前已知的最輕的固體材料,也是迄今為止保溫性能最好的材料。

1931年,美國Steven.S.Kistler博士無意中發明瞭這種物質,稱之為“冷凍煙霧”。它是將矽膠中的水提取出來,然後用諸如二氧化碳之類的氣體取代水的方法制成。

早期的氣凝膠非常易碎和昂貴,所以主要在實驗室裡使用,直到上世紀60年代才重新引起人們的興趣。到瞭70年代末、80年代初,經過法國科學傢Feichner以及美國勞倫茲伯克利國傢實驗室的ArlonHunt等人的不懈努力,氣凝膠才獲得瞭極大的發展,在90年代成為全球的研究熱點。

進入21世紀,美國航空航天管理局下屬的Aspen公司率先開始低端氣凝膠產業化,隨後,我國也相繼開始低端氣凝膠產業化,但高端透明氣凝膠均未產業化。

進入2012年,我國掀起第二次世界氣凝膠產業化熱潮。不過,長久以來,我國在氣凝膠研究和開發主要集中在附加值較高的航空航天、醫藥等方面,眾多領域仍屬空白。國內主要集中在同濟大學、國防科技大學、北京科技大學、哈爾濱工業大學、南京工業大學、浙江大學、中南大學、紹興納諾高科股份有限公司、廣東埃力生高新科技有限公司等。

歐盟在2010年發佈的一份氣凝膠專題報告中預測:到2050年,氣凝膠產品會像今天的塑料一樣應用廣泛。

開拓新應用領域、開發低成本生產制備術是氣凝膠研究者們一直在努力的方向。盧斌博士創新團隊多年來也一直潛心於此。

經過千百次的實驗和失敗,從最初的實驗室材料成果,盧斌所帶領的團隊突破並掌握瞭高端透明氣凝膠核心技術體系,逐漸開發出新型透明氣凝膠材料。2013年9月16日,該成果經湖南省科技廳組織專傢評審鑒定,認為該項技術“居國際領先水平”,具備產業化條件。其中擁有獨立自主知識產權核心技術主要包括:高端透明絕熱氣凝膠新材料技術、快速超臨界幹燥工藝、大尺寸完整透明氣凝膠生產工藝。

此後的兩年裡,盧斌帶領的團隊將工作重心放在建立完整的的產業化生產線上。

“首先要解決的是工藝設備問題,由於大部分設備都屬於非標設備,要解決從無到有的問題;其次,為瞭解決氣凝膠本質易碎以及產品形狀的問題,還需重新調整工藝;另外,需要進一步更新高端氣凝膠新材料的低成本制備技術,使氣凝膠玻璃制品在市場推行上更具優勢。”盧斌向中國建材報記者表示。

經過近兩年的科技成果產業化孵化,盧斌博士創新團隊成功解決瞭從生產工藝到設備的大量工程化問題、生產效率與成品率問題,成功開發出瞭第一代氣凝膠節能玻璃。

性能卓越的氣凝膠玻璃

兩片玻璃,中間夾填氣凝膠,這樣的“三明治”就是氣凝膠玻璃。它是基於中空玻璃又高於中空玻璃的新產品。

由於氣凝膠既具有絕熱特性,又具有吸聲特性,且具有透光性,因此氣凝膠玻璃的絕熱效果比普通的雙層玻璃高幾倍,且具有降噪效果。

“最低U值能達到0.5W/(m2·K),采光性能在75%以上,隔音降噪、抗風壓性能好,顯著降低冷熱自爆隱患,無結露,具有卓越的防火、吸熱性能,且薄、輕、節省其他材料,壽命長。”盧斌總結出氣凝膠玻璃的一連串性能。

隨著我國建築節能標準的不斷提高,門窗節能效果越來越受重視。目前來看,我國建築提高門窗節能效果的方式主要靠降低窗墻比和采用多層中空、真空玻璃等方法,前者雖可以起到節能效果,但在一定程度上降低瞭室內采光舒適度,增加瞭室內照明能耗;後一種方法則會增加玻璃窗的重量或有安全性能和使用壽命的擔憂。

中空玻璃通過增加玻璃厚度、填充惰性氣體、多腔體技術、低輻射塗層等技術實現保溫,而氣凝膠玻璃則通過材料自身極低的導熱系數和厚度實現。由於氣凝膠的多孔網絡結構對熱輻射具有“無窮隔熱板效應”,可通過增加氣凝膠的厚度來降低氣凝膠玻璃的傳熱系數,如厚度為20mm的氣凝膠玻璃的U值可低於0.5W/(m2·K)。

“相對於其他種類節能玻璃而言,氣凝膠玻璃實現瞭建築節能與舒適、環境方面三者平衡。通過氣凝膠玻璃冬季、夏季保溫性能模擬試驗可以看出,與單片玻璃、中空玻璃、Low-E玻璃等對比,氣凝膠玻璃的保溫性能是比較強的。”盧斌介紹說。

以丹麥的一座獨棟別墅為例,在丹麥現行建築節能標準下,三層充氬氣玻璃的U值是0.6W/(m2·K),g值是0.46;而使用氣凝膠玻璃後,U值降至0.5W/(m2·K),g值是0.75。

在歐盟現行建築節能標準下,這棟別墅如使用三層充氬氣玻璃,供暖需求量是6220千瓦/年,而使用氣凝膠玻璃的供暖需求量是5040千瓦/年,降低19%;如采用德國被動房標準建設,三層氬氣玻璃的供暖需求量為2070千瓦/年,氣凝膠玻璃為1380千瓦/年,下降34%。

如果將氣凝膠玻璃用於高層建築取代一般幕墻玻璃,將大大減輕建築物自重,並能起到防火作用。

目前,上懿豐新材料公司針對不同用途開發出兩種氣凝膠玻璃產品:一是采光玻璃,二是透明玻璃。

盧斌認為,隨著我國建築節能標準的不斷提高,現有技術和產品遇到極大挑戰,使用新材料勢在必行。根據節能玻璃在國內外發展情況來看,第一代為單腔中空玻璃,第二代為塗層+中空玻璃(含多腔中空玻璃),第三代是真空玻璃,而氣凝膠玻璃極有可能成為第四代節能玻璃。

性價比需提高標準待建立

由於氣凝膠具有優異的保溫隔熱和透光性能以及耐高溫、隔音減震等良好性能,氣凝膠玻璃在建築節能應用上具有獨特的優勢和廣闊的前景。

據瞭解,我國每年城鄉新建建築在15億平方米左右,北方采暖地區有10多億平方米非節能建築需要進行節能改造,夏熱冬冷和夏熱冬暖地區有30多億平方米高能耗建築需要進行節能改造。

“這總共55億平方米建築的外窗面積大約是18億平方米,如果每平方米氣凝膠玻璃按2000元計價,可形成36000億元的市場需求。”住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心副總工程師、教授級高工屈宏樂極為看好氣凝膠玻璃的應用前景,“應用氣凝膠玻璃後每平方米建築面積節能量保守按5kg標煤計算,每年可節約能源2750萬噸標煤。”

此外,在屈宏樂看來,因為氣凝膠可以緩沖和吸收爆炸沖擊波,人員密集的機場、車站、碼頭的候機樓、候車室、候船廳等特殊場所的窗戶玻璃可以首先使用氣凝膠節能玻璃,這樣可以從根本上減輕或消解自然或人為損害。

不過,盧斌博士深知,由於氣凝膠玻璃在國際上都屬於新產品,它在國內還沒有開始應用,因此氣凝膠玻璃新制品在以下方面還需繼續突破:首先是提高產品性價比。公司將著力解決生產成本問題,即需要通過擴大產能途徑,實現規模化效應,擴大成本優勢;其次是產品標準問題。應加快建立氣凝膠玻璃相關國傢、行業或地方標準,以及應用技術規程與建築構造圖集。

“有標準下遊客戶才能放心使用,產品才能廣泛使用。”盧斌說,為更好推廣氣凝膠玻璃,上懿豐公司除瞭不斷研發、提高設備與工藝的生產效率以及降低成本外,還將努力獲得國傢相關政策的支持,編制氣凝膠玻璃產品的國傢、行業或地方等相關標準,抓好示范工程建設,建設大規模化生產線,組建由設計、玻璃生產企業等相關產業鏈企業的戰略聯盟。

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