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最轻的保温隔热材料——气凝胶

2023-11-05
112次

1 何为气凝胶?


“气凝胶”(aerogel)这个词是怎么来的?通常的解释是:aerogel是个组合词,aero表示飞行的,gel则是凝胶的意思,组合起来的字面意思即为“可以飞行的凝胶”。任何物质的gel,只要经特殊工艺干燥除去内部溶剂,又可基本保持其形状不变,且产物高孔隙率、低密度,就可以漂浮于空气中,称之为气凝胶(aerogel)。


气凝胶是世界上密度最小、孔径为纳米量级的固体,主要有硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系等。最早由美国科学工作者Kistler在1931年制得,近些年才开始利用超临界技术小规模生产。


气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的纳米多孔网络结构,并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散非晶固态材料。气凝胶在微观上具有纳米尺度的均匀性,其孔洞率高达80%-99.8%,孔洞尺寸为1~100nm,比表面积高达200~1000m²/g,密度可达3~600kg/m³。


气凝胶是一种三维纳米网络多孔材料,内部99.8%都是气体。将SiO₂气凝胶放在暗色面前会呈现蓝色,放在浅色面前几乎消失不见,它虽然不像玻璃那么透明,却比玻璃更隐形、更难看见。




2 气凝胶特点


1)优异的保温隔热性   

气凝胶的导热系数0.012~0.024W/(m·K),比传统的隔热材料低2~3 个数量级,其隔热的原理在于均匀致密的纳米孔及多级分形孔道微结构可以有效阻止空气对流,降低热辐射和热传导:(1)无对流效应:气凝胶气孔为纳米级,内部空气失去自由流动能力;(2)无穷多遮挡板效应:纳米级气孔,气孔壁无穷多,辐射传热降至最低;(3)无穷长路径效应:热传导沿着气孔壁进行,而纳米级气孔壁无限长。




2)相同的保温效果,材料耗量最低

SiO₂气凝胶绝热毡的保温性能是传统材料的2-8倍。以管道为例,直径为150mm的管道如果需要达到相同的保温效果,对应使用的保温材料膨胀珍珠岩、硅酸钙、岩棉、气凝胶毡的厚度分别为 90mm、76mm、64mm、20mm。




3)使用寿命长

气凝胶使用寿命约为传统保温材料的4倍左右。传统保温材料如岩棉、聚氨酯等在长期使用过程中易吸水,吸水后由于重力作用导致保温材料分布不均匀,从而影响保温效果和使用寿命。气凝胶憎水率达99%以上,长期使用过程中仍能保持稳定的结构和隔热效果。


4)强度低、韧性差

气凝胶存在强度低、韧性差等缺点,因此需要通过添加颗粒、纤维等增强体提高强度和韧性,也可通过添加炭黑、陶瓷纤维等遮光剂提高遮挡辐射能力。因此气凝胶制品通常是由气凝胶材料与基材复合制得。根据产品形态可以分为气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布、气凝胶板材、气凝胶粉末、气凝胶浆料、气凝胶涂料等。




4   气凝胶的应用


1)航空航天领域应用

与传统绝热材料相比,气凝胶超级绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。航空发动机的隔热材料使用气凝胶既能起到极好的隔热作用,又减轻了发动机重量。


2)工业保温领域应用

工业保温领域,有些特殊的部位和环境,受重量、体积和空间的限制,气凝胶超级绝热材料可发挥关键作用。而且气凝胶的耐高温防火特性,在化工领域设备的保温上应用更加适合。


3)建筑领域应用

气凝胶及其复合材料包括气凝胶毡/板、气凝胶保温砂浆、气凝胶阳光板,气凝胶隔热涂料等,可以起到卓越的节能效果。


4)交通领域应用

气凝胶在交通领域主要应用在汽车防火隔热保温降噪层、大容量电池组防火防水保温盒,危险化学品运输车、液化天然气运输船等特种运输工具的保温防火层,高铁和地铁车体保温隔热降噪防火层等。


5)环境领域应用

气凝胶因其极大的比表面积及其特殊的纳米多孔网状结构,使其具有很好的吸附性能,是活性炭吸附能力的6倍,可广泛应用于废水处理、水体净化和油污吸附以及VOCs气体吸附,且绿色环保。


6)其他方面应用

气凝胶优异的隔热性能,可作为鞋垫、运动鞋、服装的填充层,在较低温度下进行保温。高端化妆品行业、体育用品行业也将气凝胶应用于产品中。



海南制冷材料

5   结语


现阶段气凝胶及其复合材料的价格较贵,气凝胶毡的价格接近200元/m²,在建筑节能市场渗透率很低。根据2020年国内气凝胶行业15.9亿元的产值及建筑建造行业约占7%的需求来推算,2020年建筑建材用气凝胶的销售额约在1亿左右。根据对建筑外墙保温材料的测算,2020年气凝胶在建筑保温材料的渗透率仅为0.02%,假设2025年气凝胶渗透率提升至0.12%,那么到2025年国内建筑外墙保温市场对气凝胶的需求量为13.7万m³。随着人们对气凝胶的认知,气凝胶技术成熟度的提升,它的应用市场会越来越大。

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