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        最輕的保溫隔熱材料——氣凝膠

        2023-11-05
        108次

        1 何為氣凝膠?


        “氣凝膠”(aerogel)這個(gè)詞是怎么來(lái)的?通常的解釋是:aerogel是個(gè)組合詞,aero表示飛行的,gel則是凝膠的意思,組合起來(lái)的字面意思即為“可以飛行的凝膠”。任何物質(zhì)的gel,只要經(jīng)特殊工藝干燥除去內部溶劑,又可基本保持其形狀不變,且產(chǎn)物高孔隙率、低密度,就可以漂浮于空氣中,稱(chēng)之為氣凝膠(aerogel)。


        氣凝膠是世界上密度最小、孔徑為納米量級的固體,主要有硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系、金屬系等。最早由美國科學(xué)工作者Kistler在1931年制得,近些年才開(kāi)始利用超臨界技術(shù)小規模生產(chǎn)。


        氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互聚結構成的納米多孔網(wǎng)絡(luò )結構,并在孔隙中充滿(mǎn)氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散非晶固態(tài)材料。氣凝膠在微觀(guān)上具有納米尺度的均勻性,其孔洞率高達80%-99.8%,孔洞尺寸為1~100nm,比表面積高達200~1000m2/g,密度可達3~600kg/m3。


        氣凝膠是一種三維納米網(wǎng)絡(luò )多孔材料,內部99.8%都是氣體。將SiO?氣凝膠放在暗色面前會(huì )呈現藍色,放在淺色面前幾乎消失不見(jiàn),它雖然不像玻璃那么透明,卻比玻璃更隱形、更難看見(jiàn)。




        2 氣凝膠特點(diǎn)


        1)優(yōu)異的保溫隔熱性   

        氣凝膠的導熱系數0.012~0.024W/(m·K),比傳統的隔熱材料低2~3 個(gè)數量級,其隔熱的原理在于均勻致密的納米孔及多級分形孔道微結構可以有效阻止空氣對流,降低熱輻射和熱傳導:(1)無(wú)對流效應:氣凝膠氣孔為納米級,內部空氣失去自由流動(dòng)能力;(2)無(wú)窮多遮擋板效應:納米級氣孔,氣孔壁無(wú)窮多,輻射傳熱降至最低;(3)無(wú)窮長(cháng)路徑效應:熱傳導沿著(zhù)氣孔壁進(jìn)行,而納米級氣孔壁無(wú)限長(cháng)。




        2)相同的保溫效果,材料耗量最低

        SiO?氣凝膠絕熱氈的保溫性能是傳統材料的2-8倍。以管道為例,直徑為150mm的管道如果需要達到相同的保溫效果,對應使用的保溫材料膨脹珍珠巖、硅酸鈣、巖棉、氣凝膠氈的厚度分別為 90mm、76mm、64mm、20mm。




        3)使用壽命長(cháng)

        氣凝膠使用壽命約為傳統保溫材料的4倍左右。傳統保溫材料如巖棉、聚氨酯等在長(cháng)期使用過(guò)程中易吸水,吸水后由于重力作用導致保溫材料分布不均勻,從而影響保溫效果和使用壽命。氣凝膠憎水率達99%以上,長(cháng)期使用過(guò)程中仍能保持穩定的結構和隔熱效果。


        4)強度低、韌性差

        氣凝膠存在強度低、韌性差等缺點(diǎn),因此需要通過(guò)添加顆粒、纖維等增強體提高強度和韌性,也可通過(guò)添加炭黑、陶瓷纖維等遮光劑提高遮擋輻射能力。因此氣凝膠制品通常是由氣凝膠材料與基材復合制得。根據產(chǎn)品形態(tài)可以分為氣凝膠氈、氣凝膠紙、氣凝膠布、氣凝膠板材、氣凝膠粉末、氣凝膠漿料、氣凝膠涂料等。




        4   氣凝膠的應用


        1)航空航天領(lǐng)域應用

        與傳統絕熱材料相比,氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達到等效的隔熱效果。航空發(fā)動(dòng)機的隔熱材料使用氣凝膠既能起到極好的隔熱作用,又減輕了發(fā)動(dòng)機重量。


        2)工業(yè)保溫領(lǐng)域應用

        工業(yè)保溫領(lǐng)域,有些特殊的部位和環(huán)境,受重量、體積和空間的限制,氣凝膠超級絕熱材料可發(fā)揮關(guān)鍵作用。而且氣凝膠的耐高溫防火特性,在化工領(lǐng)域設備的保溫上應用更加適合。


        3)建筑領(lǐng)域應用

        氣凝膠及其復合材料包括氣凝膠氈/板、氣凝膠保溫砂漿、氣凝膠陽(yáng)光板,氣凝膠隔熱涂料等,可以起到卓越的節能效果。


        4)交通領(lǐng)域應用

        氣凝膠在交通領(lǐng)域主要應用在汽車(chē)防火隔熱保溫降噪層、大容量電池組防火防水保溫盒,危險化學(xué)品運輸車(chē)、液化天然氣運輸船等特種運輸工具的保溫防火層,高鐵和地鐵車(chē)體保溫隔熱降噪防火層等。


        5)環(huán)境領(lǐng)域應用

        氣凝膠因其極大的比表面積及其特殊的納米多孔網(wǎng)狀結構,使其具有很好的吸附性能,是活性炭吸附能力的6倍,可廣泛應用于廢水處理、水體凈化和油污吸附以及VOCs氣體吸附,且綠色環(huán)保。


        6)其他方面應用

        氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能,可作為鞋墊、運動(dòng)鞋、服裝的填充層,在較低溫度下進(jìn)行保溫。高端化妝品行業(yè)、體育用品行業(yè)也將氣凝膠應用于產(chǎn)品中。



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        5   結語(yǔ)


        現階段氣凝膠及其復合材料的價(jià)格較貴,氣凝膠氈的價(jià)格接近200元/m2,在建筑節能市場(chǎng)滲透率很低。根據2020年國內氣凝膠行業(yè)15.9億元的產(chǎn)值及建筑建造行業(yè)約占7%的需求來(lái)推算,2020年建筑建材用氣凝膠的銷(xiāo)售額約在1億左右。根據對建筑外墻保溫材料的測算,2020年氣凝膠在建筑保溫材料的滲透率僅為0.02%,假設2025年氣凝膠滲透率提升至0.12%,那么到2025年國內建筑外墻保溫市場(chǎng)對氣凝膠的需求量為13.7萬(wàn)m3。隨著(zhù)人們對氣凝膠的認知,氣凝膠技術(shù)成熟度的提升,它的應用市場(chǎng)會(huì )越來(lái)越大。

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