产量和需求量大幅提升，气凝胶发展驶入“
文章来源：贤集网 更新时间：2023-01-13 15:36:07
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气凝胶是目前已知导热系数最低、密度最低的固体材料，具有超长的使用寿命、超强的隔热性能、超高的耐火性能等，被誉为“改变世界的神奇材料”，又因轻若薄雾颜色泛蓝，又被称为“蓝烟”。 气凝胶具备优异的性能，应用领域灵活广泛，被广泛应用于航空航天、石油化工、军工、建筑、交通、电池等多个领域，气凝胶市场需求大，性价比高，可取代空间大。 具有耐高温、高弹性、强吸附等特性 气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。 “可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能。 气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势，实现气凝胶特殊的功能化。 《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说，气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。 气凝胶的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。 有数据显示，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向，目前主要路径之一是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多的应用场景。 气凝胶的市场格局 随着气凝胶应用技术的不断成熟、产业化的不断推进，叠加政策的大力支持，近年来产量和需求量已经在大幅提升了。 产量方面，2021年我国气凝胶材料和气凝胶制品的产量分别为12.1万立方米、15.4万吨，2016-2021年CAGR分别为20.8%、32.6%。 需求方面，2021年我国气凝胶材料和气凝胶制品的需求量分别为11.9万立方米、17.9万吨，2016-2021年CAGR分别为25.1%、21.2%。 市场规模方面，2018-2021年，我国气凝胶市场规模由9.25亿元增长至17.56亿元，年增长率均维持在20%以上。 未来在节能减排的大背景下，随着气凝胶产业化的不断推进，其成本有望持续下降，在油气领域作为需求基石的同时，建筑建造、交通运输和其他新兴领域正成为气凝胶需求增长新动能。 根据Aspen Aerogel 2020年年报预测，2025年国内气凝胶需求将达到100万m³/年，对应市场空间约150亿元，较2021年增长7.5倍以上；全球需求量将达到160万m³/年，市场规模达到46亿美元。又据艾邦高分子引用的Aspen预测数据，2021至2030年，气凝胶产品在电动汽车隔热领域的市场空间将高达300亿美元，行业成长空间很大。 气凝胶材料的研究现状 1931年，美国学者Kistler采用超临界乙醇流体干燥方式，以硅酸钠为原料，在保持凝胶结构的同时，将网络结构中的乙醇液体置换成气体，成功制得了SiO2气凝胶材料，之后又陆续制备了Al2O3、W2O3、Fe2O3、NiO3等无机气凝胶以及纤维素、明胶、琼脂等有机气凝胶。各主要国家对于气凝胶材料的研究予以极大关注，开发出多种新型气凝胶材料，拓展了气凝胶的应用范围。 （一）主要国家开发出多种新型气凝胶材料 气凝胶的制备工艺主要分为两步：一是通过溶胶-凝胶过程制备凝胶；二是利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。干燥过程又分为超临界干燥、亚临界干燥、冷冻干燥、常压干燥等方法。其中，溶胶-凝胶过程是制备气凝胶最核心的过程，直接决定了气凝胶的各种微观结构与性质，包括水解和缩聚两个步骤。 近年来，中美欧等国研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶材料。美国科罗拉多大学的研究人员利用啤酒酿造工业的废弃物作为培养基，使用由醋酸杆菌制备出的细菌纤维素，通过超临界干燥法等方法制备出一种细菌纤维素气凝胶材料，具有低热导率的特征。法国国家科学研究中心的研究人员采用与传统制备工艺不同的水热处理法制备出单宁基碳气凝胶，具有较高的比表面积和比电容量。山东大学的研究人员成功制备出一种高性能的偕胺肟基修饰的环糊精/石墨烯气凝胶，其对海水中铀表现出较强亲和力和选择性，在天然海水中具有出色的铀提取能力，21天即可实现19.7mg/g的铀吸附量。中国四川大学的研究人员利用双向取向的碳气凝胶复合多壁碳纳米管，开发出能够在极端温度下保持功能性和超弹性的新型聚合物气凝胶材料，其可在-196℃至500℃的温度范围内发挥作用。 （二）生物质基气凝胶材料成为主要国家研究热点 碳气凝胶（CA）是以有机气凝胶为前驱体，在惰性气体氛围中高温裂解后得到的一种新型纳米多孔碳材料，同时具有气凝胶极高孔隙率、高比表面积、低密度等特性以及碳材料耐热、耐酸碱、高导电率的特点，但因其工艺复杂、生产周期长、生产规模小、原材料成本昂贵，易造成环境污染等问题，限制了碳气凝胶的工业化生产和应用。而生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富，因此利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式。 中美欧研究人员对生物质基气凝胶材料的制备和应用开展研究，取得一系列研究成果。法国国家科学研究中心的研究人员将纤维素材料溶解于氢氧化钠溶液中，制备出新型高度多孔纯纤维素气凝胶材料，其内部比表面积为200-300m2/g，密度仅为0.06-0.3g/cm3。美国科罗拉多大学的研究人员利用啤酒酿造工业的废弃物作为培养基，使用醋酸杆菌制备出细菌纤维素，再通过超临界干燥法等方法制备出具有低热导率特征的细菌纤维素气凝胶材料。中国嘉兴学院中澳先进材料与制造研究院（IAMM）的研究人员开发出水下机械性坚韧、弹性高、超亲水的纤维素纳米纤维基气凝胶，可用于油包水乳液分离和太阳能蒸汽发电等，解决了纤维素气凝胶耐水性差和水下机械韧性低的问题，打破了其应用的阻碍。 （三）3D打印气凝胶材料取得多项技术进展 由于传统气凝胶的力学性能有限，难以通过后期加工形成所需的复杂形状结构，因此定制化制备复杂形状结构材料的3D打印技术有望成为突破气凝胶材料应用瓶颈的先进制造技术。2015年，美国加利福尼亚大学的研究人员首次通过3D打印技术制备石墨烯气凝胶，此后3D打印气凝胶逐渐成为研究热点。目前，3D打印气凝胶材料的制备中的打印方法主要有挤出式、冷场辅助按需滴落（DOD）法和光固化法3种方式。根据3D打印气凝胶的主要组成可分为3D打印碳气凝胶、3D打印无机气凝胶和3D打印有机气凝胶。美国阿克伦大学的研究人员先采用立体光固化成型（SLA）技术制作类似于乐高积木的小砖块，使用熔融沉积制造（FDM）工艺制作成形模，再向模具与砖块里面注入气凝胶后经过脱模、固化等后处理，实现了气凝胶砖块的模块化生产。瑞士联邦材料科学与技术实验室的研究人员直接采用二氧化硅气凝胶粉末的浆液进行墨水直写打印微型二氧化硅气凝胶物体，该物体具有高比表面积和超低导热率，可用作热绝缘体和微型气泵并可降解挥发性有机化合物。 气凝胶发展驶入“快车道” 气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始对气凝胶进行初步推广应用；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业；同年9月，第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用；2021年，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用。 随着气凝胶应用技术不断成熟，气凝胶发展进入“快车道”。不过，李维科说，目前气凝胶研究仍存在一些问题，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料的黏结性较差；生产过程中会用到许多有机溶剂，容易造成环境污染；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。 此外，气凝胶生产成本高昂，产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出，气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破，也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。 气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说，气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。 结语 气凝胶材料的发展和应用仍然处于不断探索的过程，虽然目前已在一些领域取得研究进展，但仍需要解决资源利用不充分、制造成本高、技术工艺存在缺陷等问题，各主要国家还将在这一领域展开激烈竞争。我国在气凝胶材料领域的研究水平位居世界前列，应持续开展对气凝胶材料制备及大规模生产工艺的研究，扩展气凝胶材料的应用领域，保持在该领域的领先地位。 原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_521734.html 来源：贤集网 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。 |
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