全新保温材料气凝胶的革命性探索

性能多面手 节能应用广

很多气凝胶材料产业化推进人员,在向人们介绍气凝胶时,都会被问到“气凝胶是一种胶水吗?”这个从“aerogel”翻译过来的“气凝胶”确实在理解上颇有难度。

气凝胶既然不是胶水,那它到底是何种材料呢?

同济大学的沈军教授用一个形象的比喻介绍过气凝胶:“做豆腐大家都熟悉,首先用原料做成豆浆,然后凝固成豆腐。如果将豆腐中的水分挤出去就是豆干。变成豆干后体积大幅减小,气凝胶类似于要将豆腐里的水分挤出去,但体积又不能缩小,要补充气体进去。”只要让凝胶中的液体被气体取代,同时凝胶的网络结构基本保持不变,得到的材料就称为气凝胶。

从结构上讲,气凝胶是一种具有三维开孔网状结构的材料,这些网状结构由一些连续的纳米粒子或是聚合物分子装配而成。气凝胶纳米粒子及孔径尺寸在1~100nm。气凝胶90%以上的体积都是空气,被称为“固体烟”。气凝胶不仅作为世界上最轻的固体材料被载入“世界吉尼斯纪录”,且其具有极低的导热系数(0.013~0.025W/(m.K)),极低的介电常数(1.1~2.5),极高的比表面积(500~1000m2/g),从而在力学、声学、热学、光学等方面显示出独特的性质。

气凝胶具有多种独特性能,应用领域也很广泛。例如利用气凝胶多表面积的吸附性能极强的特点,可将气凝胶应用于环保领域;利用其多孔减震抗震的性能特点,可用于防爆吸能需求;利用气凝胶材料的超轻保温的性能特点,将其应用于登山服装等领域。

气凝胶的实际应用是从航天领域开始的。俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器上,用气凝胶材料来进行热绝缘,气凝胶材料可以适应-196至1400摄氏度的温度,且因其导热系数极低,可保证探测器在极端温度下正常工作。美国国家宇航局的“星尘”号飞船还用气凝胶收集彗星微粒,气凝胶多孔尺寸和其极轻的重量使气凝胶能像一个柔软的棒球手套,从而让高速飞行的彗星星尘在运行一段时间后停下。

截止到目前,气凝胶材料最广泛应用是其优异的绝热性能。以气凝胶复合绝热毡为主要产品,气凝胶材料在工业管网及窑炉、石油化工设备、建筑、低温设备及保冷等领域有着广泛的应用前景。应用于这些领域时,气凝胶复合绝热毡兼具保温效果好、A级防火、高疏水等优越特点,使用寿命可达20年之久,以绝对的优势位于保温材料的金字塔顶。

深化气凝胶 产业攻克行业瓶颈

气凝胶材料因其独特的结构性能特点及广阔的应用前景,一经发现就引起了广泛的研究兴趣,在气凝胶产业化的道路历史过程中,最当铭记的节点是1999年美国AspenSystems公司承接美国宇航局的课题制备出纤维复合的气凝胶超级绝热材料,然后于2001年成立了AspenAerogel公司进行气凝胶的商业化运作,拉开气凝胶作为超级绝热材料产业化序幕。2015年10月26日,Aspen公司位于东普罗维登斯工厂的第三条气凝胶生产线进行了投产剪彩仪式。

国内气凝胶研究起步于上世纪90年代,集中于同济大学、清华大学、中南大学、国防科大等著名大学中,气凝胶商业化运作公司集中于浙江纳诺、广东埃力生、航天乌江、北京建工等公司。中国气凝胶行业属产业化前期,表现出规模小、产量低、资金短缺、大规模商业化应用少的现状,而这些症状背后存在的原因可归纳为四个方面。

一是核心技术实力有待提高。

气凝胶产业化的基础和前提是保证科研实力的领先和不断进步。法规、政策、标准、投入、技术等对气凝胶产业的发展都至关重要,而关键技术更是发挥着直接驱动作用。企业要想在竞争激烈的市场中生存与发展,必须紧紧依靠技术创新,不断适应环境形势变化,掌握关键核心技术,持续推进关键核心技术领先,才能实现长远发展。气凝胶产业面临产业层次不高、对基础和核心技术的跟踪、投入严重不足、参与国际竞争能力不强等问题,这些问题归根结底在于技术创新能力不强,关键核心技术掌握不足,性能和效率有待提高。这些问题都从不同方面、不同程度地限制了我国气凝胶产业的发展。

二是系统化政策支持待落地。

气凝胶产业是一个典型的高科技高附加值的产业,但也意味着高风险、高投入,其产业化发展要依靠国家政策的积极引导和具体支持。2014年和2015年,发改委连续两年将气凝胶材料列为《国家重点节能低碳技术推广目录》,这就是一个积极的政策引导。但就目前总体而言,国家引导和支持比较分散,缺少国家层面的全局性规划。在已出现的一些引导政策上,尚需要具体的实施措施及细则将其落地,才能为气凝胶产业化发展带来积极效应。

三是企业之间需协同发展。

气凝胶行业属于萌芽发展阶段,在这个阶段,理应需要各企业协同发展,共同推进整个行业的兴起。但纵观现有的为数不多的气凝胶企业,各企业基本上属于各自为战的模式,还未形成良好的协同发展效应。甚至在一些试验应用需求上,出现了低价竞争现象。在这方面,中国绿色建材产业发展联盟气凝胶创新应用推进中心,正进行一些积极的尝试。中心旨在联合相关科研院校、企事业单位,聚焦气凝胶应用相关技术难点,搭建“政-产-研-用”的专业交流平台。

四是市场培育需要周期。

作为新兴行业,气凝胶新材料产业化,特别是其市场培育需要经历一个漫长的过程。一方面,气凝胶材料相比于传统保温材料,表现出明显的应用优势,另外一方面,气凝胶材料产业化前期生产成本要高于现有同类产品,市场培育、产品推广需要逐步得到客户的接纳和认可。

鉴于此,作为工信部授权的建材行业研发推广的平台,气凝胶创新应用推进中心将聚焦行业先进理念,持续推进关键核心技术,着力推进政府部门、生产单位、研发机构、应用单位联动,形成新材料技术成果转化的联合体,系统推进气凝胶的产业化技术研发与市场应用。同时,积极会同政府部门协同产业联盟等组织策划战略性新兴产业专项资金、创投基金,支持气凝胶产业化技术、工程应用技术、标准、工法的深入研发和创新,保持国际竞争力,推动高科技成果转化。从气凝胶研究生产开始到应用服务结束,全方位、多角度为推进气凝胶产业发展发挥能量。

产业需支持 中心来带头

气凝胶产业是一个典型的高科技高附加值的产业,但也意味着高风险、高投入,产业化需要大量的关键技术积累,产业化过程中需要大量时间和资金的投入。气凝胶产业虽然发展前景无限,但是更需要国家、社会多方面的支持。

科研方面,国家应加大气凝胶领域内的资金投入,精准扶持科研机构、气凝胶企业研发平台取得气凝胶突破性研究。

企业方面,国家应加大政策和资金扶持力度,将政策的杠杆更多地倾向于气凝胶产业化运作,重点资金扶持10家左右自主创新程度高的气凝胶产业化公司,培育气凝胶产品龙头企业,整合企业现有技术、制造设备、优势资源及已有市场,进行产品的技术升级和大规模商业化应用。

气凝胶创新应用推进中心将牵头通过树立标杆气凝胶企业示范形象,形成一呼百应的气凝胶产业化聚合效应,推动行业攻克瓶颈,从而全方位拉动我国气凝胶产业化的发展,快速融入国际气凝胶产业化进程。

相关文章

微信