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气凝胶到底是什么材料? 热象纳米带你走进气凝胶的神奇世界

发布来源:廊坊美尚瑞保温材料有限公司  发布日期: 2022-07-02  访问量:208

一. 气凝胶定义:

气凝胶,又称干凝胶,是化学溶液反应后形成溶胶,然后凝胶凝胶,去除凝胶中的溶剂,获得空间网结构充满气体,固体密度低(接近空气密度)多孔材料。

气凝胶具有超轻、低密度、纳米微孔的特点,具有超细蜂窝孔尺寸和多孔结构,由相互连接的聚合链连接而成。孔径一般低于 100 nm,气凝胶颗粒尺寸通常小于 200nm。它可以由无机材料(如二氧化硅、氧化铝等)、有机材料(如聚酰亚胺、碳等)或混合材料(如凝胶玻璃等)制成。

二.气凝胶概述:

气凝胶是一种新型的纳米多孔结构材料,1931年由美国组成Kistler.S.该发明创造了15项吉尼斯纪录,在热学、光学、电学、力学、声学等领域表现出许多奇怪的性能,也被称为蓝烟和冻结烟。它被称为改变世界的神奇材料,自20世纪90年代以来被列为**热门科技之一。它是一种具有巨大应用价值的军民两用技术。

气凝胶是世界上较轻、保温性能较好的固体材料,被选为世界吉尼斯纪录,气凝胶密度极低、导热性极低、表面积高、孔隙率高,较初广泛应用于航空航天、军事工业等高端技术领域,随着我国经济转型升级和国家纳米材料战略的实施,气凝胶纳米材料已逐渐广泛应用于工业、建筑、汽车、电子等行业。

由于成分不同,气凝胶主要包括二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶。目前,二氧化硅气凝胶的绝缘性能较引人注目,技术较成熟。国内外气凝胶的工业化发展主要集中在二氧化硅气凝胶的绝缘应用上。如果没有特别说明,气凝胶称为二氧化硅气凝胶。

随着中国经济转型升级、节能降耗政策的不断推进和纳米材料战略的实施,气凝胶材料近年来引起了政府、学术界、企业界和投资界的广泛关注。

气凝胶是中国几乎与世界同行同步、竞争力强的高科技和产品之一。从某种意义上说,中国气凝胶产业的发展将对世界气凝胶产业的发展产生越来越大的影响。

目前,中国大学和研究所在气凝胶领域的研究深度和广度,以及中国企业在低成本气凝胶制造技术方面的毅力,都走在了世界的**。也许在未来,我们将看到一家企业依靠技术创新和低成本成为气凝胶领域的华为。

三.气凝胶分类:

根据基体的化学性质,气凝胶可分为 4 类:

无机气凝胶:

1) 氧化物(如二氧化硅、氧化铝、二氧化钛);

2) 氟化物(如氟化镁、氟化钙);

3) 碳化物(如碳化硅、碳化硼);

4) 氮化物(如氮化硼、氮化钛);

5) 混合氧化物(如二氧化钛-氧化硅、氧化钒-二氧化钛)。

有机气凝胶:

1) 醛系(如间苯二酚-甲醛,三聚氰胺-甲醛……);

2) 脲类衍生物(如氨基甲酸乙酯气凝胶);

3) 聚合物(如聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚双环戊二烯);

4) 碳类,包括碳纳米管。

混合气凝胶:

混合气凝胶含有有机和无机相,主要由二氧化硅气凝胶改性而成。

如二氧化硅/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)……

复合气凝胶:

气凝胶复合材料由两种或两种以上具有不同化学和物理性质的材料制成;一种材料

形成基体(或连续相),其它材料形成分散相。气凝胶可作为气凝胶复合材料的基体,

也可用作分散相。

1) 纤维增强气凝胶;

2) 其它气凝胶复合材料。

四.制备气凝胶:

五.气凝胶特性:

六.气凝胶的隔热原理:

无对流效应:

气凝胶纳米材料中的气孔直径小于70nm,气孔中的空气分子失去了自由流动的能力,处于真空状态,无法进行热对流。

无限遮挡效果:

气凝胶的气孔为纳米气孔,密度极低。气凝胶中的气孔趋于无限,每个气孔壁都有遮热板的作用,产生近乎无限多遮热板的效果,较大限度地减少热辐射。

无限长疏松路径效应:

气凝胶密度极低,比表面大,体积骨架松散。气凝胶有无限的纳米孔,热量沿着气凝胶固体材料的孔壁传导。无限的孔壁构成了无限的长松散路径效应,将固体热传导能力降低到较低限度。

与其他传统保温材料相比,气凝胶产品具有导热性较低、隔热效果明显的优点。气凝胶材料的导热系数随温度变化很小。随着温度的升高,传统保温材料的导热系数变化很大,隔热效果会变差。

七.国内外气凝胶市场分析:

1.全球气凝胶市场情况

Allied2014年6月发布的报告,2013年2013年全球气凝胶的市场价值.预计到2020年将达到218亿美元.在预测期内(2014年),966亿美元–2020年复合增长率为36.4%。随着气凝胶材料在新应用领域的不断进步,市场预计随着时间的推移,市场增长的动力将进一步增强.

据了解,美国Aspen公司2008~2013年复合增长率为33.8%,Allied的报告主要基于美国Aspen事实上,随着亚太市场的发展,特别是中国气凝胶企业的崛起,公司业绩的保守预测报告将显著加快。

据Freedonia报告,在2010年,全球绝热材料市场估计规模为321亿美元,未来年增长率为 6.3%,到2019年可达556亿美元。工业设备领域约占总份额的三分之一,建筑领域约占总份额的三分子二。

目前,气凝胶材料占据了整个保温材料市场金字塔模型的。目前,整个保温材料市场的规模几乎微不足道。一方面,说明气凝胶行业仍处于起步阶段,也预示着未来巨大的发展空间。

目前,制约气凝胶市场扩张的较大障碍是价格高。一旦气凝胶材料的生产成本显著降低,市场规模将急剧扩大,产品销售将迅速扩大,并将革命性地取代传统的保温材料。

那么,气凝胶爆发的拐点是什么时候呢?事实上,随着气凝胶材料市场价格的下降,在工业绝缘领域,气凝胶材料的总成本接近传统绝缘材料的使用,但具有节能、节省空间、防腐、寿命长等显著优势。根据多年的工业数据和经验,气凝胶快速发展的拐点实际上已经悄然到来,一些技术良好的气凝胶企业将实现爆炸性发展!

气凝胶行业气凝胶行业已进入爆炸性增长阶段。预计年复合增长率将超过55%,并将在未来10年迅速取代传统绝缘材料,特别是在工业和设备领域。~10年可能达到每年19年~170亿美元的规模。

2.国内气凝胶市场

国内市场起步较晚,早期主要是国外气凝胶产品销售,价格昂贵,营销力度小,近年来随着国内气凝胶企业的逐步增加,实力、成本、规模、规模,由于国内节能减排政策和经济规模的快速扩大,气凝胶行业进入了快速发展渠道。

2014年国内气凝胶产量约8500立方米,进口产品约1500立方米,市场规模约1500立方米.82亿元。随着气凝胶工艺成本的降低和工业规模的不断扩大,气凝胶市场日益成熟。

作为一个新兴经济体,中国将以快于国际平均水平的速度快速增长市场增长,并在未来几年进入快速增长阶段。2015年是国内气凝胶规模突变的一年,预计新产能将达到1.6万~2万立方米19600立方米,进口产品约1000立方米,预计市场规模3.2020年将达到37亿.2015年至2020年的复合增长率约为61亿元.1%。

目前,国内军事需求主要集中在航天、武器、舰艇等领域;石化、轨道交通、电力工业、矿山地下救生舱、城市热管网已形成一定的市场规模,并继续快速增长,特种服装和帐篷LNG管道和建筑节能领域的应用也开始少量试用,后期市场巨大。

国家新材料产业十二五发展规划指出,保温材料产值将达到1200亿元。预计十三五节能环保产业将继续快速发展。根据热象纳米技术,预计气凝胶材料将于2015年至2020年在工业设备领域得到广泛应用,2020年将全面取代传统工业保温材料,共享每年约500亿元的国内市场。预计气凝胶材料将于2020年在建筑领域大规模应用,2025年将全面取代传统建筑保温材料,共享每年1000多亿元的国内市场。

八.市场应用成熟,经济性高,是二氧化硅气凝胶的制备。目前工业、建筑、电子行业80%以上的气凝胶产品都是以二氧化硅为骨架的多孔纳米气凝胶材料.制备路线如下:

气凝胶的性能主要由其纳米孔结构决定。一般来说,所需的纳米孔和相应的凝胶骨架通过溶胶-凝胶工艺获得。由于凝胶骨架内溶剂的表面张力,骨架在普通干燥条件下会坍缩。气凝胶制备技术的核心是避免毛细管力引起的纳米孔结构在干燥过程中坍塌。

为消除应力,一般可从以下几个方面采取措施:

根据干燥工艺的不同,主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺,其他尚未实现批量生产工艺、真空冷冻干燥、亚临界干燥等。

超临界干燥技术是*个实现气凝胶批量制备的技术,相对成熟。目前,国内外气凝胶企业采用了更多的技术。超临界干燥的目的是使溶剂在干燥过程中达到自身的临界点,形成超临界流体。超临界状态下的溶剂没有明显的表面张力,使凝胶在干燥过程中保持良好的骨架结构。目前,批量生产技术一般采用二氧化碳作为干燥介质,称为二氧化碳超临界干燥技术。

常压干燥是一种新型的气凝胶制备工艺,是目前研究较活跃、发展潜力较大的气凝胶批量生产技术。其原理是利用疏水基团对凝胶骨架进行改性,避免硅羟基在凝胶孔表面相互结合,提高弹性。同时,用低表面张力液替代原有高比表面积的水或乙醇,在常压下直接干燥,获得性能优异的气凝胶材料。

对以下两条技术路线进行简要分析比较:

设备投资:超临界干燥技术采用高压釜核心设备,一般工作压力高达7~20MPa,属于特种设备中的压力容器,设备系统复杂,运行维护成本高。目前国内已有厂家可以提供成套的超临界设备,但数量少,业主议价能力弱。常压干燥技术采用常规常压设备。与超临界干燥相比,由于不需要高压条件,设备投资低,设备系统相对简单,大多数化工设备单位可以加工制造,业主议价能力强。

生产成本:气凝胶的生产成本主要集中在硅源、设备折旧和能耗三部分。硅源主要包括水玻璃和硅胶。硅胶价格昂贵,但纯度高,工艺适应性好。可应用于超临界干燥工艺或常压干燥工艺。目前,国内外采用超临界干燥工艺的企业基本采用有机硅源。水玻璃价格低廉,但杂质多,去除杂质的过程繁琐。目前主要用于常压干燥技术。在设备折旧方面,由于超临界干燥技术设备投资高,折旧高于常压技术。在能耗方面,超临界干燥系统的功耗高于常压 干燥系统,蒸汽消耗差别不大。因此,一般来说,常压干燥技术的生产成本低于超临界干燥。

产品性能:就二氧化硅气凝胶而言,超临界干燥技术与常压干燥技术生产的产品没有显著或实质性的区别。基本上,超临界技术可以达到技术指标,常压干燥技术可以达到。在非二氧化硅气凝胶的制备方面,超临界干燥过程要成熟得多,但没有大规模生产的报告。

技术门槛:相对而言,超临界干燥技术的生产效率、安全性甚至工艺变更都高度依赖设备系统。如果设备制造商提供的设备系统成熟可靠,业主进入技术门槛相对较低,这也是许多气凝胶行业新进入者选择超临界工艺的原因之一,但也受到更多限制。常压干燥技术设备投资门槛低,但技术门槛高,对配方设计和工艺组合优化要求高。如果技术不合格,不仅生产成本可能高于超临界,而且性能指标也不能满足要求。

扩展空间:超临界干燥作为一种特殊的高压设备,如果要扩大生产规模,固定资产投资巨大,如果未来气凝胶满足建筑保温市场,如年产量50万立方米(这只是目前中小型建材企业的规模),采用超临界干燥技术设备投资将达到数十亿,非常不利于气凝胶企业越来越强。常压干燥技术,随着规模的扩大,投入产出比将进一步提高,投资少,生产规模大,更能满足未来大生产的需要。此外,由于硅源有限,超临界原材料成本降低空间有限,只能通过优化系统提高生产效率,常压干燥对廉价硅源具有较强的接受能力,工艺优化自由度更大,成本降低空间更大。

通过以上分析,笔者认为超临界干燥技术和常压干燥技术各有优势和合理性。但就像过去一样去显示器领域等离子技术和液晶技术的竞争一样,二者曾难分伯仲,到现在液晶技术已完全胜出,随着时间推移,笔者相信,就二氧化硅气凝胶的制备生产,常压干燥技术将较终获得压倒性的胜利。

九.气凝胶发展面临的问题

中国在2000之后才开始气凝胶材料的市场化应用。当时气凝胶产品比较单一,主要是“掉粉”的气凝胶毡为主,应用在工业管道及设备的保温隔热。转眼间,二十年快过去了,气凝胶虽然被称为“一种可以改变世界的神奇的材料”寄于厚望,但尴尬是的,气凝胶产品多样化及市场应用并没有得到很快的提升。

“掉粉”是气凝胶纤维毡在生产过程中无法克服的问题, 使用及裁切时”粉尘”对人体健康有害,吸入人体后很难被降解, 使用时需要用玻纤布或复合层层压包裹才能正常使用,工艺复合,加工成本过高.

由于”掉粉”的问题,限制了气凝胶在各行业的使用, 很多行业都想利用气凝胶优异的隔热性能,但由于环保的问题已做罢.

苏州热象纳米科技面对中国气凝胶产业发展缓慢的进程,面对如何打破国外气凝胶技的封锁,整装上路,组建一支强有力的气凝胶研发团队,致力于气凝胶高端产品应用开发和气凝胶产品多样化,解决气凝胶“掉粉”的问题,根据产品应用空间要求,突破传统气凝胶毡厚度偏厚的问题,使气凝胶产品轻薄化,解决狭小空间均热隔热问题,把气凝胶的应用从单一工业领域带到高端的消费类电子、人工智能、柔性显示及医疗等领域应用。

热象纳米的气凝胶产品均具有”不掉粉”的特性, 健康环保、使用方便的优势, 部分产品属全球首创。热象纳米开发的气凝胶产品有:气凝胶隔热膜、气凝胶隔热泡棉、气凝胶隔热片 气凝胶隔热涂料 气凝胶相变吸热储热膜等产品.

1. 气凝胶隔热膜:

经过特殊工艺、使气凝胶薄膜化,解决消费电子产品狭小空间的均热问题、对弱耐热元件的隔热保护,可控制改变热量传导的方向,提升产品的性能及使用寿命。

气凝胶隔热膜不仅解决了气凝胶“掉粉”的问题,同时具体更柔、更轻及更加优异的隔热性能,可以代替日本松下NASBISE气凝胶隔热薄毡、美国GORE隔热材、日本千代田等隔热薄毡等产品,这些国外品牌的产品一方面价格昴贵,加一方面由于“掉粉”问题,模切加工时需要先包边覆膜工艺复杂,模切时由于“掉粉”对模切车间的洁净度及员工的身体健康也造成影响。

热象纳米开发的气凝胶隔热膜,除了隔热性能优异外,价格也很具有竞争力,市场售价只有国外品牌的三分之一,极大的降低了客户的采购成本,推动国内气凝胶的应用发展。

气凝胶隔热膜利用气凝胶低导热率的特点,产品热导率低至:0.018- 0.022 W/(m .K), 厚度:100μm- 400μm,产品柔性卷材,可满足圆刀、平刀等多种模切加工,可与石墨片、铜箔等散热材复合使用。

2. 气凝胶隔热泡棉:

新型耐高低温、阻燃、隔热缓冲多功能一体化泡棉

气凝胶纳米隔热泡棉是一种新型纳米隔热材料,帮助电子行业、新能源电池、汽车行业及船舶**等行业解决隔热防火、缓冲减震、隔音降噪、轻量化等方面需求。

低热导率: 0.024-- 0.030W/(m . K )

耐高低温性: - 80℃-- 300℃

抗*形变: <10%

缓冲压缩率: >75%

隔音降噪:0.085- 0.095 NRC

阻燃性 : Ul94- V0

低密度 : 0.04g/cm3

3. 气凝胶隔热片:

气凝胶隔热片是热象纳米开发的气凝胶全新产品,较大的亮点就是“不掉粉”隔热效果比传统的气凝胶毡更优异,柔性易加工模切,符合FDA健康食品级安全.

4.气凝胶相变吸热储热膜:

开辟了除石墨片、铜箔、热管等散热材料与气凝胶隔热材料以外的第三种新型热管理材料及方案

气凝胶相变吸热储热膜是一种新型纳米热管理材料,由一种热容值高的聚合材料与气凝胶纳米孔相结合,通过相变过程中吸热可将电子芯片急聚的热量进行吸收储存,并延迟温升,消除或减小设备的降频或死机的风险,也可以作为敏感元器件热保护材料,通过相变吸热防止热量传递。

高热容值 >200J/g

吸收疏导急聚的热量

延缓温升--消除设备降频或死机

降低产品表面温度---提升人体热感的舒适度

可与散热材料一起配合使用

卷材柔性易模切

5.气凝胶隔热涂料:

独特的配方设计,气凝胶微粉与耐高温水性树脂结合、较大的保留了气凝胶纳米孔结构和隔热保温性能,同时具有优异的耐高低温、易施工、节能环保的特点。

优势如下:

1.不受基材限制,设备上异形零件或不规则表面能很好隔热保温处理,做到与基材表面无缝结合,提升保温隔热效果。

2.干燥后,减少或消除结露现象,性能不会受到受潮气影响,结构稳定,耐腐蚀性强。

3.达到相同的保温效果,涂层更薄,节省空间及成本。

4.防止保温涂料下基材的腐蚀,具有卓越的耐久性和耐候性。

5:减少辐射热,保持内部温度更加稳定,较外层导热系数低,防烫伤,体感舒适,环保,不危害健康。

6:施工周期短,使设备停机时间同时大大缩短,方便设备检修,使用寿命10年以上。

苏州在中科院纳米技术育成中心热管理平台创立,承载着科技与生活的责任感, 以前瞻性的眼光和恢弘的气度,促进气凝胶纳米隔热材料的技术突破及高端应用,以安全、可靠、创新的高新技术产品、高品位的服务,努力成为中国热管理纳米材料的合格供应商。

公司由气凝胶隔热材料专家及热设计管理专家共同组建,致力于气凝胶纳米隔热材料的研发、生产及销售。公司在中科院纳米技术育成中心苏州基地建立研发中心,产品主要有气凝胶隔热膜、气凝胶隔热泡棉、气凝胶隔热片、气凝胶相变吸热储热膜、气凝胶微粉、气凝胶涂料等,产品主要应用于消费类电子、新能源汽车、工业设备、航天国防等行业,为客户提供隔热、散热一体化纳米材料及热管理设计解决方案。



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