在新材料領(lǐng)域，“氣凝膠”成了近兩年出現(xiàn)頻率不斷增加的熱詞，科研院校不斷傳出研發(fā)新動向、應(yīng)用新進(jìn)展；山東、江蘇、浙江、湖南、陜西、河南等省也將氣凝膠材料的發(fā)展列入本省重點(diǎn)支持領(lǐng)域和發(fā)展重點(diǎn)；今年1月6日國家發(fā)改委將氣凝膠材料列入國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄。
那么，作為氣凝膠產(chǎn)業(yè)國際第一梯隊成員，我國氣凝膠行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r如何？商業(yè)化現(xiàn)狀如何？技術(shù)發(fā)展方向是什么？中國化工報記者上周進(jìn)行了采訪。
我國處于國際第一梯隊
2014年世界材料大會提出，氣凝膠由90%以上的空氣和不足10%的固體構(gòu)成，它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達(dá)到1200℃時才會熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性，氣凝膠成了航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進(jìn)行絕緣。
除航天領(lǐng)域應(yīng)用外，氣凝膠還可廣泛應(yīng)用于軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領(lǐng)域，是傳統(tǒng)保溫材料的革命性替代產(chǎn)品。
氣凝膠領(lǐng)域?qū)＜?、同?jì)大學(xué)教授沈軍介紹，氣凝膠材料是當(dāng)今世界上已知的最輕固體材料，目前最輕的氣凝膠僅有0.16毫克/立方厘米，比空氣密度略低，具有極大的比表面積和極低的導(dǎo)熱系數(shù)。用氣凝膠材料做成的防寒外套，僅3mm厚但具有與40mm鴨絨外套相同的保溫效果。在-196℃的液氮測試中，這件外套內(nèi)部還能保持約31.6℃的溫度。氣凝膠是一種可以改變世界的神奇納米材料，氣凝膠之所以具有這樣的秉性，主要由于其特殊的納米多孔結(jié)構(gòu)。
令人欣慰的是，不同于其他新材料，我國的氣凝膠材料產(chǎn)業(yè)化水平幾乎與世界同步，并且呈現(xiàn)出良好的趕超態(tài)勢。據(jù)了解，2001年與美國宇航局有密切關(guān)系的ASPEN公司的成立，是氣凝膠產(chǎn)業(yè)化的開始；而我國氣凝膠研究從上世紀(jì)90年代已經(jīng)開始，首家商業(yè)化公司成立于2004年。
沈軍表示，目前氣凝膠產(chǎn)業(yè)比較領(lǐng)先的是美國和中國，中國已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平?！翱傮w不低于國際水平，某些指標(biāo)高于美國產(chǎn)品，應(yīng)用市場也不少于美國。”同濟(jì)大學(xué)教授倪星元這樣向中國化工報記者總結(jié)。
業(yè)內(nèi)人士介紹，2016年11月3日，我國新一代大運(yùn)力運(yùn)載火箭“長征五號”在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功首飛。其中，為火箭燃?xì)夤苈废到y(tǒng)提供隔熱保溫的就是國內(nèi)自主研制的高性能納米氣凝膠隔熱氈。我國的氣凝膠除了應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，還應(yīng)用于石油化工、高鐵、油田等領(lǐng)域，應(yīng)用市場廣泛。
黃金發(fā)展期到來
Allied市場研究公司之前發(fā)布的報告稱，全球氣凝膠的市場價值到2020年可達(dá)18.966億美元，從2014~2020年的年復(fù)合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新應(yīng)用領(lǐng)域探索的持續(xù)進(jìn)步，市場增長動力會進(jìn)一步增強(qiáng)。
中國氣凝膠市場隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷開發(fā)，以高于國際平均水平的速度迅速擴(kuò)張。2014年國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)量大約為8500立方米，進(jìn)口產(chǎn)品大約1500立方米，市場規(guī)模大約為1.82億元。從去年開始，氣凝膠市場迎來產(chǎn)銷規(guī)模突增，浙江紹興圣諾節(jié)能技術(shù)有限公司總經(jīng)理金承黎向記者介紹，去年行業(yè)新增產(chǎn)能約2萬立方米，主要是由于已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)的氣凝膠企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)，使市場規(guī)模達(dá)到3.30億元。
他介紹，今年除了原有企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)外，新建企業(yè)也成為了貢獻(xiàn)產(chǎn)能的重要力量。估計今年新增產(chǎn)能也在2萬立方米左右。預(yù)計2015年到2020年氣凝膠材料將在工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域獲得大批量應(yīng)用；2020年開始全面替換傳統(tǒng)工業(yè)保溫材料，分享國內(nèi)每年約500多億元的工業(yè)保溫材料市場；2020年開始，氣凝膠材料將在建筑領(lǐng)域開始大規(guī)模應(yīng)用；2025年將全面替代傳統(tǒng)建筑保溫材料，分享國內(nèi)每年1000多億元的市場。不僅如此，到2020年，氣凝膠行業(yè)企業(yè)將迅速增多，產(chǎn)能將急劇擴(kuò)大，氣凝膠行業(yè)整體進(jìn)入暴發(fā)式增長階段。
雖然前景可期。但目前，我國氣凝膠材料仍處于發(fā)展初期，還沒有形成一批優(yōu)勢企業(yè)，尚沒有一家企業(yè)形成穩(wěn)固的龍頭地位。
金承黎認(rèn)為，未來三五年是氣凝膠材料的黃金發(fā)展期，掌握低成本核心技術(shù)和一定市場資源的企業(yè)將獲得巨大發(fā)展空間，也可以迅速成為行業(yè)內(nèi)的優(yōu)勢企業(yè)。
成本制約市場應(yīng)用
隨著時間發(fā)展，建筑保溫材料要求越來越高，要求比重低、防火、導(dǎo)熱系數(shù)高。氣凝膠氈與現(xiàn)有的保溫材料相比，其熱導(dǎo)率較低，保溫隔熱性能優(yōu)秀；氣凝膠氈更輕薄，同樣質(zhì)量可以覆蓋更多面積；此外，氣凝膠復(fù)合制品還在隔音、防火、防潮等方面優(yōu)異性能。
多位業(yè)界人士表示，目前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是價格。倪星元向記者介紹說：“在建筑領(lǐng)域隔熱、保溫上，現(xiàn)有保溫材料幾十元一平方米。雖然氣凝膠兩三年前每平方米要200元以上，但隨著氣凝膠規(guī)?；a(chǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)降到了100多元。但目前氣凝膠的價格與市場接受程度還有差距，相信今后會越走越近?！?/p>
氣凝膠因成分不同，主要有二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠和碳?xì)饽z等。當(dāng)前，二氧化硅氣凝膠技術(shù)最為成熟，市場應(yīng)用擴(kuò)展最廣。國內(nèi)外氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應(yīng)用展開。
碳?xì)饽z的制備工藝也較為成熟，國內(nèi)碳?xì)饽z材料作為鋰電池的陽極材料以及海水淡化電極已有應(yīng)用；而且碳?xì)饽z材料已經(jīng)作為大型激光裝置中高激光損傷閾值的光學(xué)薄膜在應(yīng)用。但是碳?xì)饽z生產(chǎn)成本較高，阻礙其應(yīng)用范圍以及擴(kuò)大應(yīng)用量。專家建議，應(yīng)當(dāng)簡化碳?xì)饽z的制備工藝，降低其生產(chǎn)成本。
金承黎認(rèn)為，一旦氣凝膠材料生產(chǎn)成本得以顯著下降，市場價格也會下降，市場規(guī)模就會急劇擴(kuò)大。比如，二氧化硅氣凝膠將革命性地替代傳統(tǒng)絕熱材料。
常壓干燥是工藝方向
目前，二氧化硅氣凝膠的制備通常包含溶膠-凝膠和干燥兩個主要過程，通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架。由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會造成骨架坍縮，氣凝膠制備技術(shù)核心在于避免干燥過程中由于毛細(xì)管力導(dǎo)致納米孔洞結(jié)構(gòu)塌陷。
沈軍形象地介紹，這類似于做豆腐，首先要用原料做成豆?jié){，然后凝固變成豆腐，如果將豆腐里面的水分?jǐn)D出去就是豆干，變成豆干后體積大幅減小。氣凝膠的制備類似于要將豆腐里的水分?jǐn)D出去，但體積又不能縮小，要補(bǔ)充氣體進(jìn)去，所以比較難。
根據(jù)工藝不同，氣凝膠干燥主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種。超臨界干燥技術(shù)是最早實現(xiàn)批量制備氣凝膠的技術(shù)，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)，通過壓力和溫度控制，使溶劑在干燥過程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)。處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而可以實現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)，在保持原有結(jié)構(gòu)的前提下去除凝內(nèi)的大量液體而制得氣凝膠。
常壓干燥工藝的原理是首先選用一種低表面張力的溶劑置換濕凝膠孔洞中表面張力較大的水和醇，然后對凝膠表面進(jìn)行疏水改性，使凝膠收縮程度降至最低；另外，通過調(diào)節(jié)凝膠孔洞的均勻性和增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)骨架強(qiáng)度來減小毛細(xì)管壓力的影響，從而可以在常壓下制得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與超臨界干燥制備出的氣凝膠相接近。
超臨界干燥使用高壓設(shè)備，一般工作壓力高達(dá)7MPa~20MPa，前期投入高，運(yùn)行和維護(hù)成本也較高；常壓干燥技術(shù)采用常規(guī)的常壓設(shè)備，由于不需要高壓條件，前期投入低，但技術(shù)門檻卻較高，對配方的設(shè)計和流程組合優(yōu)化有較高要求。
專家認(rèn)為，常壓干燥是一種新型的氣凝膠制備工藝，是當(dāng)前研究最活躍，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臍饽z量產(chǎn)技術(shù)。
“目前都在朝這方向發(fā)力?！蹦咝窃@樣告訴記者。
金承黎介紹，氣凝膠如果要迎接建筑保溫的巨大市場，比如達(dá)到年產(chǎn)50萬立方米的中型規(guī)模，采用超臨界干燥技術(shù)的設(shè)備投入將高達(dá)數(shù)十億元，不利于氣凝膠企業(yè)做大做強(qiáng)。而采用常壓干燥技術(shù)，企業(yè)可以較少投資實現(xiàn)較大生產(chǎn)規(guī)模，更能適應(yīng)未來大規(guī)模生產(chǎn)的需要。
此外，受限于硅源，超臨界干燥技術(shù)的原料成本降低空間有限，只能通過優(yōu)化系統(tǒng)提高生產(chǎn)效率；而常壓干燥對廉價硅源接納能力較強(qiáng)，流程優(yōu)化方面也有較多自由度，因而擁有更大的成本下降空間。
金承黎表示，常壓干燥能夠?qū)崿F(xiàn)氣凝膠連續(xù)式自動化生產(chǎn)，效率可提高3~5倍，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)安全水平也可大幅提升。
