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中国保温防水展

气凝胶产业迎来“豪迈时刻”

2017-04-13

  厚度不到一厘米的气凝胶板材,正面经受1300℃的火焰喷射,背面依然可以用手摸、用脸贴;将其放在花瓣上,不会把花压倒;沾上水后,又能像荷叶一样防水……

  伴随着中国经济转型升级,节能降耗政策的持续大力推进,以及中国实施多年的纳米材料战略,气凝胶材料近年来受到了政府、学术界、企业界和投资界的广泛关注。

  气凝胶是中国正在逐步显示出的与世界同行几乎同步且具有较强竞争力的的高新技术及产品之一。从某种意义上讲,中国气凝胶产业的发展,对世界气凝胶产业的发展将产生越来越大的影响,中国气凝胶产业也迎来属于自己的“豪迈时刻”。

  政策:豪迈的动力

  【关键词】:新材料发展历程规模化

  政策的扶持往往是产业发展的动力。

  随着“十三五”规划对未来五年发展方向作出总体定位,近期新材料行业相关的配套政策也在密集出台。2016年3月中旬,工信部、发改委、科技部、财政部联合出台了《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》,2016年底,国家新材料领导小组正式成立。不仅国家层面,行业内部对新材料产业,尤其是气凝胶产业也异常关注。

  4月7日,由中国绿色建材产业发展联盟主办,旨在促进气凝胶行业应用发展,解读产业政策,展示行业全景,调研行业痛点的“2017全国气凝胶材料创新应用研讨会”在京召开,工信部原材料司建材处相关人员表示,当前制约气凝胶大规模应用的因素是价格和生产工艺,下一步将鼓励科研机构和代表性企业开展产学研用的平台建设,加快推进气凝胶应用示范工程。

  随着国家政策的推进和行业关注度的与日俱增,气凝胶产业的发展脉络也成为人们关注的重点。

  气凝胶是由美国科学家基斯特勒(Kistler)于1931年发明的。它的发明者之所以将其命名为气凝胶(空气替换凝胶),是因为在没有破坏固态结构的情况下,用空气将胶体中的液体组分替换出来。尽管这一有趣的材料拥有一些奇异的性质,但是直到1970年,气凝胶才引起了人们足够的兴趣。

  近年来,化学材料、微观和介观材料、物理化学杂志等期刊更愿意接受气凝胶的相关研究。较高的引用次数以及高频次的刊登,说明气凝胶研究已经得到了足够而广泛的重视。

  在1970年后,气凝胶的发展历经了三次高潮。第一次出现在20世纪70年代到80年代。这次意义深远的革新是将水玻璃/水系统用有机前驱体和对应的有机溶剂进行替代从而快速地制备气凝胶。该时期代表性的工作有Teichner的小组在1968年对TMOS的使用,Russo等人在1986年对更为安全的TEOS的使用以及二氧化碳超临界干燥技术。重要的是,醇化物的水解和缩聚反应相对简单且易控制,这就加快了气凝胶的发展过程。第一届和第二届国际气凝胶研讨会分别在1985年和1988年举行。这是最早以气凝胶为主题的特殊会议,也极大地促进了气凝胶领域的发展。

  第二次高潮出现在20世纪90年代。这时期的重大事件是有机气凝胶和碳气凝胶的诞生以及表面修饰常温干燥技术的发明。在理论方面,以德国维尔兹堡大学的Fricke教授课题组为主导的研究者对气凝胶的力、热、光、电、声等物理性能、规律以及控制方法进行了深入研究,也大幅促进了气凝胶应用设计的发展。因此,许多应用性研究和工业化尝试积极地进行,气凝胶成为了极具竞争优势的材料。此外,第三到第六届国际气凝胶研讨会继续推进着气凝胶研究的发展。许多潜在的应用在这些研讨会上被提出、讨论并且至今还在研究之中。

  第三次高潮是从21世纪初至今,从某种程度上说这是自然会发生的蓬勃过程,在此期间也是硕果累累。Gash在2001年研究了一种通用的方法来制备各种氧化物气凝胶,这种方法用无机盐作为前驱体,环氧化物作为凝胶促进剂。Brock同过改变胶体成分、溶胶凝胶过程以及超临界干燥过程获得了硫化物气凝胶。2006年,梯度密度气凝胶在成功捕获高速的彗星和宇航空间粒子后顺利返回地球。此后,一系列新气凝胶被成功制得,包括碳纳米管气凝胶,石墨烯气凝胶,碳化物气凝胶以及单质气凝胶。此外,气凝胶的性能,应用价值,商业化价值在这期间也得到了空前发展,越来越多的科学家、工程师、政府官员以及公众聚焦于此,这使得气凝胶发展前途一片光明。

  目前制约气凝胶市场壮大的最主要因素是价格,过高的定价让许多尝试者望而却步。一旦气凝胶材料的生产成本显著下降,市场规模就会急剧扩大,产品销量也会迅速扩大,并将革命性地替代传统绝热材料。

  谁会是成为气凝胶领域的“华为”,我们拭目以待。

  科技:豪迈的底气

  【关键词】:科研领域科技研发节能纳米

  科技的大步跨越,诸多研发力量的投入,为我国气凝胶产业增添了豪迈的底气。

  业内人士告诉记者,如果做到极致,气凝胶这种固体甚至能飘在空气中;正面经受1000多摄氏度的火焰喷射,背面依然可以用手摸。但难点也在如何做到极致。

  气凝胶的形成过程,业内专家举了这样一个例子:“做豆腐的程序大家都熟悉,我们首先要用原料做成豆浆,然后凝固变成豆腐,如果将豆腐里面的水分挤出去就是豆干,变成豆干后体积大幅减小。气凝胶的制备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,所以比较难。”

  面对气凝胶制备方面的难题,诸多国内外科研领域机构研究人员投身其中。目前,国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在美国的加州理工学院、德国的维尔茨堡大学等一流大学科研机构;国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、国防科技大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等知名院校。当前,中国高校在气凝胶科研领域的专业程度以及中国企业在低成本气凝胶制造技术方面的探索能力,均走在世界前列。

  由德国资助成立的同济大学波尔固体物理研究所早在1991年就将气凝胶确定为研究方向之一。由于与德国关系紧密,该实验室得以迅速获得气凝胶制备技术,使得同济大学气凝胶方面的研究在短时间内迅速达到了国际先进水平。

  到2000年左右,由于居高不下的成本及大规模工业化生产难以取得技术突破,气凝胶始终没有作为一个产业发展起来。近几年,由于能源需求紧张、全球生态环境恶化等原因,学界和业界又开始攻关气凝胶的产业化。

  Allied市场研究公司2014年6月发布的报告称,全球气凝胶的市场价值在2013年2.218亿美元,预计到2020年可达18.966亿美元,在预测期内(从2014~2020)的年复合增长率为36.4%。随着气凝胶材料在新的应用领域探索的持续进步,市场预计,随着时间的推移市场增长的动力会进一步增强。

  另一研究报告称,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。其中工业和设备领域约占总份额三分之一,建筑领域占总分额的三分之二。

  气凝胶材料占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分,目前在整个绝热材料市场中的规模几乎是微不足道的,这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段,同时又预示着其未来具有巨大的发展空间。

  应用:豪迈的心声

  【关键词】:多领域应用神奇材料建筑节能

  国内科研院所、企业如此费尽心机的研究气凝胶的意义何在?

  气凝胶被称为“改变世界的神奇材料”,又被称为“终极保温绝热材料”、“超级海绵”,可用于捕捉空间粒子,正是因其具有的诸多优异性能,世界上主要国家都在投入巨资采用昂贵的技术设备生产气凝胶。我国目前已将其列入国家战略性新兴产业。气凝胶的应用领域众多,从高大上的航天军工到接地气的节能建材,从宇航服到冬暖服,在未来5年里,工业建筑领域的节能降耗应该是气凝胶行业革命的主战场。

  在工业领域中,电力储能、石油化工等行业凡是需要管道保温或者窑炉保温的部位都需要用到高效保温材料,纳米孔气凝胶复合绝热材料是首选。

  在建筑领域中,建筑墙体保温、屋面地板保温,以及气凝胶玻璃在玻璃幕墙上的应用。

  在交通运输领域中,纳米孔气凝胶复合绝热材料已经应用在高铁列车、国产C919客机、以及新能源汽车上,主要集中应用点是运输工具的隔热保温、以及新能源汽车锂电池的保护。

  在家用保温和冷链物流领域中,纳米孔气凝胶复合绝热材料替代传统材料,用作保温层,大幅提高保温效果,增大内部容积。

  在功能性装备中,使用气凝胶超薄夹层制作出的气凝胶夹克及其他户外用品。

  国内市场气凝胶行业起步较晚,前期主要是国外气凝胶产品在销售,市场推广力度也较小,近年来随着国内气凝胶企业逐步增多,实力不断增强,成本不断下降,规模不断扩大,再得益于国内节能减排政策推行和经济体量的的迅速扩大,气凝胶行业驶入了快速发展通道。

  当前,中国科研院所在气凝胶领域研究的深度和广度,中国企业在低成本气凝胶制造技术方面的锲而不舍,均走在了世界的前面。或许未来我们会看到有一家企业成为气凝胶领域的华为,依靠技术创新和低成本在全球攻城拔寨。

来源:中国建材报

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