南京工业大学科研团队研发新型保温材料侧记

气凝胶产品的隔热保温效果

质地轻薄、干脆、微透,颜色呈淡粉、淡蓝、乳白……南京工业大学材料科学与工程学院研究生朱昆萌同学在崔升教授实验室内摆放着她的实验产品,一种神奇的材料——气凝胶气凝胶是一种三维纳米网络结构的纳米材料,具有低密度、高比表面积和低热导率等优异性能,可用于建筑保温和工业生产保温,是未来发展的十大新材料之一。

性能突出的建筑保温材料

现在的墙体保温以聚苯乙烯泡沫为主,热导率高并且耐高温性差。气凝胶作为建筑外保温材料,其内部的介孔结构,使得其相较于传统隔热材料具有更优异的保温隔热效果,热导率也低于静止空气,是保温性能较为突出的固体材料。“气凝胶属于A级保温材料,遇到火星不会燃烧,将它作为保温材料也能有效地减少火灾发生的可能性。”崔升介绍说,“气凝胶热导率低,作为墙体保温材料比现有的保温材料薄且效果好。”

除了作为墙体保温材料,气凝胶还可参与到玻璃窗的制作,增强玻璃的保温效果。现在应用到玻璃上的气凝胶有颗粒状和块状两种。据了解,颗粒状气凝胶玻璃窗中间用气凝胶颗粒填充,外层为Low-E玻璃,这种方案透光较差,但热损小;块状气凝胶玻璃窗,其透光率可达0.75,隔音效果好。目前实际应用以颗粒气凝胶方案为主,最高节能率可达80%。

材料学院博士刘思佳使用发泡水泥、泡沫玻璃及发泡陶瓷等作为基体,结合真空浸渍和快速乙醇超临界干燥工艺,制备出一系列发泡基体复合SiO2气凝胶隔热材料。该材料热导率可低至0.045W/(m·K),并克服了气凝胶材料无抗压折强度、无法承重的缺陷,使气凝胶具备抗压折能力,可用在某些特定结构中作承重材料,通过机械加工还可以适应不同使用环境要求。“在夏天炎热地区,该材料用于商业建筑外墙,替代传统的混凝土加隔热层结构,可节省全年20%的总能耗。”刘思佳介绍说,“除了建筑应用,该材料在冷库保温、窑炉保温和热管保温等领域均有广阔的应用前景。”

“新力量”助力工业生产保温

晶硅生长炉是光伏行业一项重要生产设备,其内部较高的生产温度亟需高效节能的保温隔热材料,降低生产能耗。

材研1602班锁浩同学对光伏行业中晶硅生长炉进行节能改造,提出制备成本低、使用周期长及高温热导率低的新型碳纤维增强碳化物气凝胶材料,有效替换晶硅生长炉中高纯石墨毡,突破了技术和资金双重壁垒。该项目在刚刚结束的第十六届“挑战杯”竞赛江苏省比赛中荣获特等奖。

“传统保温隔热材料主要存在热导率高、耐温性差等缺陷。我们对比了国内外气凝胶商业产品,发现目前市场上的气凝胶产品虽然具有低热导率,但是其最高工作温度低,且耐温性差。”锁浩介绍说,“我们采用无机铝盐和硼源为原料,碳纤维作为增强材料,突破多项关键技术制备出常温热导率低于0.05、最大压缩强度为9.1MPa、热稳定性好的碳纤维增强碳化物气凝胶。”该产品目前已在晶科能源控股有限公司和宿迁新材料研究院进行中试研究,完成碳纤维增强碳化物气凝胶材料中试生产线购置、中试生产和应用研究。

良好的应用前景和经济价值

气凝胶拥有广阔的应用前景,可应用于航空航天、石油化工、新能源、交通工具等领域。“如果在笔记本和手机用上这样的保温材料,可以引导热量从周边散出,有助于提高散热效率、增强使用舒适度。”崔升教授介绍说,“气凝胶还可以应用到新能源汽车的锂电池上,在锂电池之间加上气凝胶产品,可以防止每块锂电池的热量互相影响,也可进一步防止电池因高温而导致燃烧。”

2017年11月19日中国绝热节能材料协会气凝胶材料分会成立,南京工业大学成为会长单位。近年来,南京工业大学研发了包括隔热用、吸附用、载药用、光催化用和抗菌用等多种气凝胶材料,形成了以沈晓冬、崔升为带头人的科研团队。目前气凝胶成果已转让多家企业,实现了产业化应用。其中,基于纳米气凝胶绝热材料的保温管道、保温水箱等项目,已累计实现经济效益24572万元。在吸附领域,聚丙烯纤维复合气凝胶材料系列产品有效应对油污处理,也累计实现经济效益5452.4万元

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