產量和需求量大幅提升，氣凝膠發展駛入“
文章來源：賢集網 更新時間：2023-01-13 15:36:07
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氣凝膠是目前已知導熱系數最低、密度最低的固體材料，具有超長的使用壽命、超強的隔熱性能、超高的耐火性能等，被譽為“改變世界的神奇材料”，又因輕若薄霧顏色泛藍，又被稱為“藍煙”。 氣凝膠具備優異的性能，應用領域靈活廣泛，被廣泛應用于航空航天、石油化工、軍工、建筑、交通、電池等多個領域，氣凝膠市場需求大，性價比高，可取代空間大。 具有耐高溫、高彈性、強吸附等特性 氣凝膠是一種納米級的多孔固態新型材料，所有孔的體積合起來占整個氣凝膠體積的絕大多數，甚至可以達到99％以上，具有高比表面積、高空隙率、納米級孔洞、低密度等特殊的微觀結構特點，化學性能穩定、導熱系數低、耐高溫、高彈性、強吸附、防水效果好、使用溫度范圍廣、壽命長。 “可以把氣凝膠理解成多孔海綿的一個納米版。”氣凝膠領域技術專家王貝爾說，其孔徑在20納米至50納米之間。而空氣分子大小約為70納米，大于氣凝膠孔隙的直徑，因此空氣在氣凝膠上流動效率極低，加上氣凝膠本身比熱容很高，熱輻射傳遞能降到最低，因而具有很好的隔熱性能。 氣凝膠主要分為無機氣凝膠、有機氣凝膠和有機—無機雜化氣凝膠三類。其中，無機氣凝膠是以無機物為主體，包括單質氣凝膠、氧化物氣凝膠和硫化物氣凝膠等。有機氣凝膠則是以有機物為主體，主要包括酚醛氣凝膠、纖維素氣凝膠、聚酰亞胺氣凝膠、殼聚糖氣凝膠以及殼聚糖—纖維素氣凝膠等。有機—無機雜化氣凝膠可利用有機物和無機物各自優勢，實現氣凝膠特殊的功能化。 《科學》雜志2021年將氣凝膠列為十大熱門科學技術之一，并稱其為“可以改變世界的多功能新材料”。王貝爾說，氣凝膠是《科學》雜志評選出的十大新材料中，唯一一個已大規模落地于實際商業場景的材料。 氣凝膠的制備工藝主要分為兩步，即通過溶膠—凝膠過程制備凝膠，再利用一定的干燥方法將凝膠內的液態物質替換為氣態，從而制得氣凝膠。 有數據顯示，在氣凝膠行業的成本結構中，制造成本約占45%。蘇州錦富技術股份有限公司董事長助理鄭松說，降低氣凝膠成本是行業正在努力的一個方向，目前主要路徑之一是自動化產線的落地，而成本降低將會打開更多的應用場景。 氣凝膠的市場格局 隨著氣凝膠應用技術的不斷成熟、產業化的不斷推進，疊加政策的大力支持，近年來產量和需求量已經在大幅提升了。 產量方面，2021年我國氣凝膠材料和氣凝膠制品的產量分別為12.1萬立方米、15.4萬噸，2016-2021年CAGR分別為20.8%、32.6%。 需求方面，2021年我國氣凝膠材料和氣凝膠制品的需求量分別為11.9萬立方米、17.9萬噸，2016-2021年CAGR分別為25.1%、21.2%。 市場規模方面，2018-2021年，我國氣凝膠市場規模由9.25億元增長至17.56億元，年增長率均維持在20%以上。 未來在節能減排的大背景下，隨著氣凝膠產業化的不斷推進，其成本有望持續下降，在油氣領域作為需求基石的同時，建筑建造、交通運輸和其他新興領域正成為氣凝膠需求增長新動能。 根據Aspen Aerogel 2020年年報預測，2025年國內氣凝膠需求將達到100萬m³/年，對應市場空間約150億元，較2021年增長7.5倍以上；全球需求量將達到160萬m³/年，市場規模達到46億美元。又據艾邦高分子引用的Aspen預測數據，2021至2030年，氣凝膠產品在電動汽車隔熱領域的市場空間將高達300億美元，行業成長空間很大。 氣凝膠材料的研究現狀 1931年，美國學者Kistler采用超臨界乙醇流體干燥方式，以硅酸鈉為原料，在保持凝膠結構的同時，將網絡結構中的乙醇液體置換成氣體，成功制得了SiO2氣凝膠材料，之后又陸續制備了Al2O3、W2O3、Fe2O3、NiO3等無機氣凝膠以及纖維素、明膠、瓊脂等有機氣凝膠。各主要國家對于氣凝膠材料的研究予以極大關注，開發出多種新型氣凝膠材料，拓展了氣凝膠的應用范圍。 （一）主要國家開發出多種新型氣凝膠材料 氣凝膠的制備工藝主要分為兩步：一是通過溶膠-凝膠過程制備凝膠；二是利用一定的干燥方法將凝膠內的液態物質替換為氣態，從而制得氣凝膠。干燥過程又分為超臨界干燥、亞臨界干燥、冷凍干燥、常壓干燥等方法。其中，溶膠-凝膠過程是制備氣凝膠最核心的過程，直接決定了氣凝膠的各種微觀結構與性質，包括水解和縮聚兩個步驟。 近年來，中美歐等國研究人員通過改進氣凝膠制備工藝，開發出生物基氣凝膠、石墨烯氣凝膠、聚合物氣凝膠等多種新型氣凝膠材料。美國科羅拉多大學的研究人員利用啤酒釀造工業的廢棄物作為培養基，使用由醋酸桿菌制備出的細菌纖維素，通過超臨界干燥法等方法制備出一種細菌纖維素氣凝膠材料，具有低熱導率的特征。法國國家科學研究中心的研究人員采用與傳統制備工藝不同的水熱處理法制備出單寧基碳氣凝膠，具有較高的比表面積和比電容量。山東大學的研究人員成功制備出一種高性能的偕胺肟基修飾的環糊精/石墨烯氣凝膠，其對海水中鈾表現出較強親和力和選擇性，在天然海水中具有出色的鈾提取能力，21天即可實現19.7mg/g的鈾吸附量。中國四川大學的研究人員利用雙向取向的碳氣凝膠復合多壁碳納米管，開發出能夠在極端溫度下保持功能性和超彈性的新型聚合物氣凝膠材料，其可在-196℃至500℃的溫度范圍內發揮作用。 （二）生物質基氣凝膠材料成為主要國家研究熱點 碳氣凝膠（CA）是以有機氣凝膠為前驅體，在惰性氣體氛圍中高溫裂解后得到的一種新型納米多孔碳材料，同時具有氣凝膠極高孔隙率、高比表面積、低密度等特性以及碳材料耐熱、耐酸堿、高導電率的特點，但因其工藝復雜、生產周期長、生產規模小、原材料成本昂貴，易造成環境污染等問題，限制了碳氣凝膠的工業化生產和應用。而生物質原料來源廣泛、成本低廉、碳源豐富，因此利用生物質原料制備環保型多孔碳纖維氣凝膠是一種經濟、可持續的生產方式。 中美歐研究人員對生物質基氣凝膠材料的制備和應用開展研究，取得一系列研究成果。法國國家科學研究中心的研究人員將纖維素材料溶解于氫氧化鈉溶液中，制備出新型高度多孔純纖維素氣凝膠材料，其內部比表面積為200-300m2/g，密度僅為0.06-0.3g/cm3。美國科羅拉多大學的研究人員利用啤酒釀造工業的廢棄物作為培養基，使用醋酸桿菌制備出細菌纖維素，再通過超臨界干燥法等方法制備出具有低熱導率特征的細菌纖維素氣凝膠材料。中國嘉興學院中澳先進材料與制造研究院（IAMM）的研究人員開發出水下機械性堅韌、彈性高、超親水的纖維素納米纖維基氣凝膠，可用于油包水乳液分離和太陽能蒸汽發電等，解決了纖維素氣凝膠耐水性差和水下機械韌性低的問題，打破了其應用的阻礙。 （三）3D打印氣凝膠材料取得多項技術進展 由于傳統氣凝膠的力學性能有限，難以通過后期加工形成所需的復雜形狀結構，因此定制化制備復雜形狀結構材料的3D打印技術有望成為突破氣凝膠材料應用瓶頸的先進制造技術。2015年，美國加利福尼亞大學的研究人員首次通過3D打印技術制備石墨烯氣凝膠，此后3D打印氣凝膠逐漸成為研究熱點。目前，3D打印氣凝膠材料的制備中的打印方法主要有擠出式、冷場輔助按需滴落（DOD）法和光固化法3種方式。根據3D打印氣凝膠的主要組成可分為3D打印碳氣凝膠、3D打印無機氣凝膠和3D打印有機氣凝膠。美國阿克倫大學的研究人員先采用立體光固化成型（SLA）技術制作類似于樂高積木的小磚塊，使用熔融沉積制造（FDM）工藝制作成形模，再向模具與磚塊里面注入氣凝膠后經過脫模、固化等后處理，實現了氣凝膠磚塊的模塊化生產。瑞士聯邦材料科學與技術實驗室的研究人員直接采用二氧化硅氣凝膠粉末的漿液進行墨水直寫打印微型二氧化硅氣凝膠物體，該物體具有高比表面積和超低導熱率，可用作熱絕緣體和微型氣泵并可降解揮發性有機化合物。 氣凝膠發展駛入“快車道” 氣凝膠的發展得到國家政策的持續支持。2014年和2015年，國家發改委連續兩年將氣凝膠列入《國家重點節能低碳技術推廣目錄》，開始對氣凝膠進行初步推廣應用；2018年6月氣凝膠被列入建材新興產業；同年9月，第一個氣凝膠方面的國家標準《納米孔氣凝膠復合絕熱制品》發布；2020年，《氣凝膠保溫隔熱涂料系統技術標準》啟用；2021年，《中共中央、國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，推動氣凝膠等新型材料研發應用。 隨著氣凝膠應用技術不斷成熟，氣凝膠發展進入“快車道”。不過，李維科說，目前氣凝膠研究仍存在一些問題，比如氣凝膠在高溫條件下熱導率增長較快，與纖維等增強基體材料的黏結性較差；生產過程中會用到許多有機溶劑，容易造成環境污染；氣凝膠難以回收利用，不利于可持續發展等。 此外，氣凝膠生產成本高昂，產品價格昂貴。《2022氣凝膠行業研究報告》指出，氣凝膠的生產成本主要集中在原材料硅源、設備折舊及能耗方面。有效降低成本既依賴于制備工藝的突破，也需要通過低成本原材料的大規模產業化來實現。 氣凝膠是罕見的可以同時滿足防火、防水、隔熱、隔音等多種需求的材料。李維科說，氣凝膠的發展和應用仍然處于不斷探索的過程，未來的研究方向主要集中在開發纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結構氣凝膠、非金屬單質氣凝膠等新型氣凝膠上。 結語 氣凝膠材料的發展和應用仍然處于不斷探索的過程，雖然目前已在一些領域取得研究進展，但仍需要解決資源利用不充分、制造成本高、技術工藝存在缺陷等問題，各主要國家還將在這一領域展開激烈競爭。我國在氣凝膠材料領域的研究水平位居世界前列，應持續開展對氣凝膠材料制備及大規模生產工藝的研究，擴展氣凝膠材料的應用領域，保持在該領域的領先地位。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_521734.html 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
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