氣凝膠材料被列入國傢重點節能低碳技術推廣目錄 黃金發展期將至

在新材料領域,“氣凝膠”成瞭近兩年出現頻率不斷增加的熱詞,科研院校不斷傳出研發新動向、應用新進展;山東、江蘇、浙江、湖南、陜西、河南等省也將氣凝膠材料的發展列入本省重點支持領域和發展重點;今年1月6日國傢發改委將氣凝膠材料列入國傢重點節能低碳技術推廣目錄。

那麼,作為氣凝膠產業國際第一梯隊成員,我國氣凝膠行業發展狀況如何?商業化現狀如何?技術發展方向是什麼?中國化工報記者上周進行瞭采訪。

我國處於國際第一梯隊

2014年世界材料大會提出,氣凝膠由90%以上的空氣和不足10%的固體構成,它可以承受相當於自身質量幾千倍的壓力,在溫度達到1200℃時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由於具備這些特性,氣凝膠成瞭航天探測中不可替代的材料,俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行絕緣。

除航天領域應用外,氣凝膠還可廣泛應用於軍工、石化、電力、冶金、建築、服裝等眾多領域,是傳統保溫材料的革命性替代產品。

氣凝膠領域專傢、同濟大學教授沈軍介紹,氣凝膠材料是當今世界上已知的最輕固體材料,目前最輕的氣凝膠僅有0.16毫克/立方厘米,比空氣密度略低,具有極大的比表面積和極低的導熱系數。用氣凝膠材料做成的防寒外套,僅3mm厚但具有與40mm鴨絨外套相同的保溫效果。在-196℃的液氮測試中,這件外套內部還能保持約31.6℃的溫度。氣凝膠是一種可以改變世界的神奇納米材料,氣凝膠之所以具有這樣的秉性,主要由於其特殊的納米多孔結構。

令人欣慰的是,不同於其他新材料,我國的氣凝膠材料產業化水平幾乎與世界同步,並且呈現出良好的趕超態勢。據瞭解,2001年與美國宇航局有密切關系的ASPEN公司的成立,是氣凝膠產業化的開始;而我國氣凝膠研究從上世紀90年代已經開始,首傢商業化公司成立於2004年。

沈軍表示,目前氣凝膠產業比較領先的是美國和中國,中國已經達到瞭國際先進水平。“總體不低於國際水平,某些指標高於美國產品,應用市場也不少於美國。”同濟大學教授倪星元這樣向中國化工報記者總結。

業內人士介紹,2016年11月3日,我國新一代大運力運載火箭“長征五號”在海南文昌衛星發射中心成功首飛。其中,為火箭燃氣管路系統提供隔熱保溫的就是國內自主研制的高性能納米氣凝膠隔熱氈。我國的氣凝膠除瞭應用在航空航天領域,還應用於石油化工、高鐵、油田等領域,應用市場廣泛。

黃金發展期到來

Allied市場研究公司之前發佈的報告稱,全球氣凝膠的市場價值到2020年可達18.966億美元,從2014~2020年的年復合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新應用領域探索的持續進步,市場增長動力會進一步增強。

中國氣凝膠市場隨著應用領域不斷開發,以高於國際平均水平的速度迅速擴張。2014年國內氣凝膠產量大約為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。從去年開始,氣凝膠市場迎來產銷規模突增,浙江紹興聖諾節能技術有限公司總經理金承黎向記者介紹,去年行業新增產能約2萬立方米,主要是由於已經實現量產的氣凝膠企業擴產,使市場規模達到3.30億元。

他介紹,今年除瞭原有企業擴產外,新建企業也成為瞭貢獻產能的重要力量。估計今年新增產能也在2萬立方米左右。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多億元的工業保溫材料市場;2020年開始,氣凝膠材料將在建築領域開始大規模應用;2025年將全面替代傳統建築保溫材料,分享國內每年1000多億元的市場。不僅如此,到2020年,氣凝膠行業企業將迅速增多,產能將急劇擴大,氣凝膠行業整體進入暴發式增長階段。

雖然前景可期。但目前,我國氣凝膠材料仍處於發展初期,還沒有形成一批優勢企業,尚沒有一傢企業形成穩固的龍頭地位。

金承黎認為,未來三五年是氣凝膠材料的黃金發展期,掌握低成本核心技術和一定市場資源的企業將獲得巨大發展空間,也可以迅速成為行業內的優勢企業。

成本制約市場應用

隨著時間發展,建築保溫材料要求越來越高,要求比重低、防火、導熱系數高。氣凝膠氈與現有的保溫材料相比,其熱導率較低,保溫隔熱性能優秀;氣凝膠氈更輕薄,同樣質量可以覆蓋更多面積;此外,氣凝膠復合制品還在隔音、防火、防潮等方面優異性能。

多位業界人士表示,目前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是價格。倪星元向記者介紹說:“在建築領域隔熱、保溫上,現有保溫材料幾十元一平方米。雖然氣凝膠兩三年前每平方米要200元以上,但隨著氣凝膠規模化生產,現在已經降到瞭100多元。但目前氣凝膠的價格與市場接受程度還有差距,相信今後會越走越近。”

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,二氧化矽氣凝膠技術最為成熟,市場應用擴展最廣。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。

碳氣凝膠的制備工藝也較為成熟,國內碳氣凝膠材料作為鋰電池的陽極材料以及海水淡化電極已有應用;而且碳氣凝膠材料已經作為大型激光裝置中高激光損傷閾值的光學薄膜在應用。但是碳氣凝膠生產成本較高,阻礙其應用范圍以及擴大應用量。專傢建議,應當簡化碳氣凝膠的制備工藝,降低其生產成本。

金承黎認為,一旦氣凝膠材料生產成本得以顯著下降,市場價格也會下降,市場規模就會急劇擴大。比如,二氧化矽氣凝膠將革命性地替代傳統絕熱材料。

常壓幹燥是工藝方向

目前,二氧化矽氣凝膠的制備通常包含溶膠-凝膠和幹燥兩個主要過程,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。

沈軍形象地介紹,這類似於做豆腐,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。

根據工藝不同,氣凝膠幹燥主要分為超臨界幹燥工藝和常壓幹燥工藝兩種。超臨界幹燥技術是最早實現批量制備氣凝膠的技術,也是目前國內外氣凝膠企業采用較多的技術,通過壓力和溫度控制,使溶劑在幹燥過程中達到其本身的臨界點。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,在保持原有結構的前提下去除凝內的大量液體而制得氣凝膠。

常壓幹燥工藝的原理是首先選用一種低表面張力的溶劑置換濕凝膠孔洞中表面張力較大的水和醇,然後對凝膠表面進行疏水改性,使凝膠收縮程度降至最低;另外,通過調節凝膠孔洞的均勻性和增強網絡骨架強度來減小毛細管壓力的影響,從而可以在常壓下制得結構和性質與超臨界幹燥制備出的氣凝膠相接近。

超臨界幹燥使用高壓設備,一般工作壓力高達7MPa~20MPa,前期投入高,運行和維護成本也較高;常壓幹燥技術采用常規的常壓設備,由於不需要高壓條件,前期投入低,但技術門檻卻較高,對配方的設計和流程組合優化有較高要求。

專傢認為,常壓幹燥是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量產技術。

“目前都在朝這方向發力。”倪星元這樣告訴記者。

金承黎介紹,氣凝膠如果要迎接建築保溫的巨大市場,比如達到年產50萬立方米的中型規模,采用超臨界幹燥技術的設備投入將高達數十億元,不利於氣凝膠企業做大做強。而采用常壓幹燥技術,企業可以較少投資實現較大生產規模,更能適應未來大規模生產的需要。

此外,受限於矽源,超臨界幹燥技術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接納能力較強,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。

金承黎表示,常壓幹燥能夠實現氣凝膠連續式自動化生產,效率可提高3~5倍,產品質量穩定性和生產安全水平也可大幅提升。

相关新闻