气凝胶的发展历程和当下产业的市场情况 - 公司新闻

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气凝胶的发展历程和当下产业的市场情况

发布时间：2019-10-29 16:01:47

前言

气凝胶被誉为改变世界的神奇材料，被列为21世纪的***新型材料之一，具有广泛的应用前景。伴随着中国经济转型升级、节能降耗政策的继续推进，尤其是十三五规划中浓墨重彩地提出了要发展战略性新兴产业之一的新材料产业，其中提及了气凝胶绝热材料，一下子把气凝胶推向了风口浪尖。

1、什么是气凝胶？

气凝胶不同于传统思维中的“胶”，它是一种固体物质形态，是目前已知的最轻的固体材料。极限密度能达到0.16毫克每立方厘米。因其密度极低，内部的空洞是纳米量级的，所以光线经过它时几乎没有散射，就像天空一样看着发蓝，因此也被叫做“冻结的烟”或“蓝烟”。

气凝胶内含大量空气，典型的孔洞限度在1-100纳米，孔洞率在80%以上，是一种具有纳米结构的多孔材料，在力学、声学、热学、光学等诸方面均显示其独特的性质。当前常见的气凝胶为硅气凝胶。

2、气凝胶的发展简史

早在1931年，美国加州太平洋大学的Steven S.Kistler就通过超临界干燥方法成功制备出二氧化硅气凝胶。但因其制造成本高昂、易碎性，一直被局限在实验室中。

20世纪70年代，法国Teichner研究组***了高品质气凝胶的快速制备方法，之后欧洲诸国如瑞典、德国掀起了气凝胶研发的高潮。

1999年，美国宇航局的喷气推进实验室为“星尘”号太空探测器配备了尘埃收集装置，内部填充气凝胶，用以捕获彗星尾部中高速的宇宙尘埃样品。

2001年，美国宇航局下的Aspen Aerogel公司成立，并开启了气凝胶作为超级绝热材料商业化的热潮。

2002年，Aspen Aerogel公司生产出了一种耐受性和柔韧性更强的气凝胶复合材料，被用到制作太空服的隔热保温衬里，随即垄断了全球气凝胶的生产。该气凝胶衬里只有18毫米的厚度，就足以帮助宇航员隔绝1300摄氏度的高温和零下130摄氏度的***温。也正因为此，气凝胶的英文名为“aerogel”（意为：飞行的凝胶）。

2004年，国内从事气凝胶材料产业化的企业--绍兴市纳诺高科有限公司成立并研发推出了气凝胶成品。

3、国内外的研究单位

2014年10月，在德国汉堡召开的国际气凝胶大会，预示着气凝胶这种新型材料正开启它广阔的前景。目前，国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司、美国的劳伦兹·利物莫尔国家实验室和加州理工大学、桑迪亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室等。国内则主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、***科技大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、东华大学等。

4、气凝胶的隔热原理

二氧化硅气凝胶是迄今为止保温性能的材料，其孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程，因此在气凝胶孔隙中分子空气近似静止，从而避免了空气的对流传热，而气凝胶极低的体积密度及纳米网络结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导，趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至***。这三方面共同作用，几乎阻断了热传递的所有途径，使得气凝胶达到其他材料无法比拟的绝热效果，甚至远低于常温下静止空气0.025W/(m*K)的导热系数，达到0.013W/(m*K)以下。一公分厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。

5、气凝胶的制备工艺

气凝胶性能主要由其纳米孔洞结构决定，一般通过溶胶-凝胶的制备工艺获得纳米孔洞和相应的凝胶骨架。在普通干燥条件下气体和液体的置换过程，二者的二相界面和表面张力等易使凝胶孔洞坍塌及基本网状结构发生断裂。所以，气凝胶制备的技术核心在于避免干燥过程中因毛细管力导致的纳米孔洞结构塌陷。当前有两种较为成熟的工艺：超临界干燥技术和常温常压法干燥。

超临界干燥技术是最早实现批量化制备气凝胶的工艺，也是目前国内外气凝胶厂家采用的主流技术。处于超临界状态下的溶剂无明显表面张力，从而实现凝胶在干燥过程中保持孔洞、骨架结构完好的前提下置换出湿凝胶内的液体所制得的体积较大、品相较优的气凝胶。但是超临界干燥过程中用到高压设备，设备成本投入高，运行和维护成本也较高。

而常温常压法干燥技术一般会造成严重的骨架收缩和断裂，视觉效果上，该方法获得的成品有变形而且色泽不通透。这类成品，业内称之为xerogel以区别于aerogel。它的优势在于采用常规设备，由于不需要高压条件，设备投入成本低，仅对配方的设计和流程组合优化有较高要求。

6、气凝胶的应用行业

一般来说，由于气凝胶极脆易碎的特性，是无法直接单独使用的。现在，能够规模化生产并大批量实际应用的是气凝胶与增强纤维的复合制品，主要为气凝胶隔热毡的形式。简单说来，这种气凝胶复合制品就是当气凝胶与哪种基材进行二次复合，就使得那种材料拥有了超级隔热保温的性能。如与玻璃纤维毡复合经加工就做成的气凝胶毡，使得其导热系数成倍降低，且***增强了原玻璃纤维毡的抗压性、抗拉性。

气凝胶复合制品已经在诸多领域得到了广泛的应用，尤其是气凝胶隔热毡的应用十分普及。

在工业领域，200℃-650℃的蒸汽、导热油、熔盐管道，城市供热管网，石油炼化、化工设备，生物医药的蒸馏塔，工业窑炉等凡涉及到绝热保温的部位；

在建筑领域，气凝胶毡或气凝胶板材可以取现在流行的膨胀聚苯板、挤塑聚苯板、聚氨酯、岩棉等传统保温材料在建筑屋面、内外墙保温、地暖保温和玻璃幕墙上的应用；

在交通运输领域中，纳米孔气凝胶复合制品已经应用在和谐号CRH380D系列动车、和谐号CRH1E系列动车、国产C919客机、以及新能源汽车上，主要集中的应用点是运输工具的隔热阻燃、以及新能源汽车锂电池的保护；

在液氮、液化天然气和冷链物流领域中，纳米孔气凝胶复合制品替代传统材料，用作保冷层，加强了保冷效果，提升了内部容积。在某些特殊的场合，气凝胶毡还被制成可拆卸式的阀门套、法兰套，提高了重复利用率。

7、行业的发展现状

根据Allied Market Research发布的调研报告，2013年全球的气凝胶市场价值约为2.218亿美元，2015年全球气凝胶市场价值4.02亿美元， 2015年-2020年预期内的年复合增长率为36.4%,则预计到2020年可达到19亿美元。

得益于中国实施多年的纳米材料战略和大陆经济体量的迅速增大，中国保温材料市场需求以远快于国际市场平均水平的速度递增，国内气凝胶行业企业也如雨后春笋般冒出。并伴随着气凝胶制造成本的***递减和生产规模的扩大，气凝胶行业将进入爆炸式的增长阶段。

2014年国内气凝胶产量约为8500立方米，进口产品约为1500立方米，市场价值约为1.82亿元。进入2015年，***能够量产气凝胶制品的几家企业都完成了产能扩大。该年国内气凝胶规模突增：新增产能在16000至20000立方米之间，实际产量约19600立方米，进口量约1000立方米，市场价值约为3.3亿。预计2015年至2020年间，气凝胶市场价值的年复合增长率约为61%，至2020年将达到37.16亿元。

8、国外内***

国外气凝胶企业，惟美国Aspen Aerogel公司和德国Cabot Corporation达到一定的生产规模；国内企业起步略晚，至2017年大陆的气凝胶行业企业数量约40家，大多数企业的规模偏小，尚属于概念期。