气凝胶原理及市场.docx
《气凝胶原理及市场.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气凝胶原理及市场.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
气凝胶原理及市场
.
气凝胶市场调研报告
一、概述
二氧化硅气凝胶是一种合成的无定形硅胶，与结晶硅胶显著不同。
硅胶分子由一个硅原子和两个氧原子构成。
如下图所示，硅胶有两种基本形式：
无定形硅胶和结晶硅胶。
如果硅胶分
子排列整齐并且形成可重复样式，则为结晶硅胶。
如果硅胶分子排列不整齐，则为无定形硅胶。
两种不同气凝胶产品的扫描电子显微镜（SEM）图像显示，气凝胶存在无定形特性。
粉末X
光衍射没有发现可测量的结晶成分。
在超过1200℃（显著高于气凝胶材料的最高使用温度）
时，气凝胶会转换为结晶相。
二氧化硅气凝胶又被称作“蓝烟”、“固体烟”，是目前已知的最轻的固体材料，也是迄今为止
保温性能最好的材料。
因其具有纳米多孔结构（1~100nm）、低密度（3~250kg/m3）、低介
电常数（1.1~2.5）、低导热系数（0.013~0.025W/（m·k））、高孔隙率（80~99.8%）、高比
表面积（500~1000m2/g）等特点，在力学、声学、热学、光学等诸方面显示出独特性质，在
航天、军事、石油、化工、矿产、通讯、医用、建材、电子、冶金等众多领域有着广泛而巨
大的应用价值，被称为“改变世界的神奇材料”。
气凝胶于1931年在美国发明。
目前气凝胶全球重点发展区域主要集中在美国、
德
国、英国，其中，依托强大的技术开发实力和新产品开发力度，美国的应用领域
尤为突出和领先。
在高性能气凝胶应用方面，美国已经成功应用于航空航天、新
能源、建筑以及高级体育用品等方面。
我国在气凝胶研究和开发方面尚属早期阶段，主
要集中在附加值较高的航空航天、医药等方面，众多领域仍属空白。
目前国际上关于气凝胶
材料的研究工作主要集中在德国的维尔茨堡大学、BASF公司、美国的劳伦兹·利物莫尔国家
实验室、桑迪亚国家实验室，法国的蒙彼利埃材料研究中心，日本高能物理国家实验室，美
国阿斯彭气凝胶技术有限公司等。
国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、浙江省绍
.
.
兴市纳诺高科股份有限公司、广东埃力生高新科技有限公司、上海美桥科材料科技有限公司等。
二、基本特性
1、热学特性及其应用
热学特性
气凝胶的纳米多孔结构使它具有极佳的绝热性能，其热导率甚至比空气还要低，空气在常温
真空状态下的热导率为0.026W/（m·k），而气凝胶在常温常压下的热导率一般小于
0.020W/（m·k），在抽真空的状态下，热导率可低至0.004W/（m·k）。
气凝胶之所以具有如此良好的绝热特性与它的高孔隙率有关。
热量的传导主要通过三种途径来进行，气体传导，固体传导，辐射传导。
在这三种方式中，通过气体传导的热量是很小的，
因此大部分气体都具有非常低的热导率。
常用的绝热材料都是多孔结构，其正是利用了空气占据了固体材料的一部分体积，从而降低了材料整体的热导率。
气凝胶的孔隙率比普通绝热材料要大得多，其95%以上都是由空气构成，决定了其将具有与空气一样低的热导率。
而且
气凝胶中包含大量孔径小于70nm的孔，70nm是空气中主要成分氮气和氧气的自由程（气体
分子两次碰撞之间的时间内经过的路程的统计平均值），因此意味着空气在气凝胶中将无法实现对流，使得气态热导率进一步降低。
气凝胶中含量极少的固体骨架也是由纳米颗粒组成，
其接触面积非常小，使得气凝胶同样具有极小的固态热导率。
气凝胶的热辐射传导主要为发
.
.
生在3-5μm区域内的红外热辐射，其在常温下能够有效的阻挡红外热辐射，但随着温度的
升高，红外热辐射透过性增强。
为了进一步降低高温红外热辐射，通常向气凝胶中加入遮光剂，如碳黑、二氧化钛等，遮光剂的使用能够大大降低高温下的红外热辐射。
应用
SiO2气凝胶作为一种纳米孔超级绝热材料，除具有极低的热导率之外还具有超轻质以及高热稳定性的特性，它在工业、民用、建筑、航天及军事等领域具有非常广泛的应用。
传统工业领域
如石化行业、化工行业、冶金行业等等，管道、炉窑及其它热工设备普遍存在，用气凝胶隔热材料替代传统的保温材料，节能效果明显。
太阳能利用
具有高度透光率及低热导率的气凝胶对入射光几乎没有反射损失，
能有效地透过太阳光，因
此气凝胶特别适合于用作太阳能集热器及其它集热装置的保温隔热材料，
当太阳光透过气凝
胶进入集热器内部，内部系统将太阳光的光能转化为热能，气凝胶又能有效阻止热量流失。
节能建筑
由于气凝胶既具有绝热特性，
又具有吸声特性，且具有透光性，因此可以将气凝胶夹在双层
玻璃之间制成夹芯玻璃，其绝热效果比普通的双层玻璃高几倍，
且具有降噪效果。
将这种玻
璃用于房屋的窗户，可以大大降低热量流失，
有明显的节约能源的作用，以气凝胶为夹层的
窗玻璃的热损失率比目前最好的窗系
（氢气充填并用低发射率的铟氧化物或银作涂层）
还要
减少三分之二。
如果将气凝胶玻璃用于高层建筑取代一般幕墙玻璃，
将大大减轻建筑物自重，
并能起到防火作用。
航空航天
与传统隔热材料相比，SiO气凝胶隔热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到更好的隔热
2
效果，这一特点在航空、航天应用领域具有极大的优势。
气凝胶可以作为飞机上使用的隔热消音材料。
据报道，航天飞机及宇宙飞船在重返大气层时
要经历数千摄氏度的白炽高温，
保护其安全重回地球的绝热材料正是
SiO2气凝胶。
美国NASA
在“火星流浪者”的设计中，使用了SiO2气凝胶作为保温层,用来抵挡火星夜晚的超低温。
军事领域
SiO2气凝胶可作为飞机机舱的
隔热层材料。
可以作为核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐舰的核反应
堆、蒸发器、锅炉以及复杂的高温蒸汽管路系统的高效隔热材料，
可以增强隔热效果，
降低
舱内温度,同时有效降低隔热材料的用量
增大舱内的使用空间
有效改善各种工作环境。
家电
用块状、颗粒状或粉末状的气凝胶取代氟里昂发制的聚氨酯泡沫作为冰箱等低温系统的隔热材料，可以防止氟里昂气体泄漏破坏大气臭氧层，从而保护人类的生存环境。
服装
将气凝胶作为冬季保暖服装的衬料可以使服装既轻质又保暖。
2、声学特性及其应用
声学特性
吸声材料要求材料内部充满孔隙，并且孔隙是互相连通且与表面相通的。
当声波入射到材料
表面时，一部分在材料表面被反射，另一部分则透入到材料内部向前传播。
声波在传播过程
中，其产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动，造成和孔壁的摩擦，紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易流动，由于摩擦和粘滞力的作用，使相当一部分声能转化为热能。
.
.
气凝胶内部充满了两端开放并与表面相通的纳米孔，其高达1000m2/g的比表面积说明了其中
包含孔的数量之多，因此声音在其中传播时，声能将被其大量存在的孔壁大大消耗，这使得
气凝胶具有比普通多孔材料高数十倍的吸声效果。
另外气凝胶热稳定性非常好，耐腐蚀，且
经过表面处理的气凝胶疏水，这使其在极端高温及恶劣腐蚀环境下仍具有良好的吸声性能。
目前使用的普通吸声材料如玻璃棉、矿物棉、岩棉等，吸声效率不高，且性能不稳定。
气凝
胶作为一种新型吸声材料，不但吸声效果更好，且超轻质，无污染，它的用途将非常广泛，
尤其在航空航天方面由于其轻质的特点，将成为吸声材料的首选。
此外，还可将气凝胶材料
用做建筑的吸声材料，有优良的隔音效果。
应用
由于气凝胶的密度可以通过改变制备条件对其进行控制，因此使得声阻亦可调。
这一特性使
得气凝胶可作为声阻耦合材料，如作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料。
压电陶瓷具有极高
的声阻，空气则具有极低的声阻，阻抗在二者之间某个值的材料能够匹配声学阻抗。
用SiO2
气凝胶耦合高声阻的压电陶瓷和低声阻的空气，Krauss等报道这一耦合结果使声强提高
43.5dB。
水声反声材料是指声波由水中入射到材料层上能无损耗地全部反射出去的材料。
在潜艇上构
成声纳设备声学系统的材料中，水声反声材料是非常重要的，它可以使声纳单方向工作，消除非探测方向来的假目标信号的干扰，同时隔离装备体自身噪声，提高声纳的信噪比和增益。
特性阻抗与水的特性阻抗严重失配的材料可用作水声反声材料。
常压下空气的密度和声速都
远远小于水的密度和声速，空气的特性阻抗将比水小得多，与水阻抗失配严重，因此含有大量空气的材料可作为常压水中的反声材料。
气凝胶高孔隙率且超轻质的特点使其成为最佳的水声反声材料，既具有良好的水声反声效果，又不增加潜艇的重量。
3、催化特性及其应用
催化特性
超微粒子特定的表面结构有利于活性组分的分散,从而可以对许多催化过程产生显著的影响。
气凝胶是一种由纳米粒子组成的固体材料，具有小粒径、高比表面积和低密度等特点，
这些特点使气凝胶催化剂的活性和选择性均远远高于常规催化剂，而且活性组分可以非常均匀地分散于载体中，同时它还具有优良的热稳定性，可以有效的减少副反应发生。
因此气凝
胶作为催化剂，其活性、选择性和寿命都可以得到大幅度地提高，具有非常良好的催化特性。
应用
1938年，Kearby等发现在醇向胺的转化过程中，Cr2O3—Al2O3复合氧化物气凝胶是一种性能良好的催化剂。
1974年，Gardes等制备了NiO/Al2O3气凝胶催化剂并把它应用于乙苯脱乙基
制苯,具有非常良好的效果。
初期气凝胶催化剂主要用于一些有工业应用背景的有机反应，
如乙酸转化为丙酮、丙酸转化为二乙基丙酮等反应，近年来已经发现了气凝胶更多的催化特性。
4、吸附特性及应用
由于气凝胶由纳米颗粒骨架构成，具有高通透性的三维纳米网络结构，拥有很高的比表面积
（600～1200m2/g）和孔隙率（高达90%以上），且孔洞又与外界相通，因此它具有非常良好的吸附特性，在气体过滤器、吸附介质方面有着很大的应用价值。
对比疏水SiO2气凝胶、活性炭纤维以及活性炭颗粒对吸附介质为苯、甲苯、四氯
.
.
化碳、乙醛的吸附性能测试结果，比较发现，SiO2气凝胶的吸附性能较活性炭纤
维（ACF）和活性炭颗粒（GAC）更为优越。
而且通过改性制备出的疏水SiO2气凝胶，
可以避免亲水型活性炭在潮湿环境下吸附性能大幅降低。
同时若将SiO2气凝胶进行第一次吸附脱附后，再次进行吸附研究，SiO2气凝胶可方便地经由热气流脱附，再吸附容量基本不变，这就为循环利用创造了有利的条件。
5、光学特性及应用
纯净的SiO2气凝胶是透明无色的，它的折射率（1.006～1.06）非常接近于空气的折射率，这
意味着SiO2气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光。
因此，SiO2气凝胶能
够被用来制作绝热降噪玻璃。
利用不同密度的SiO2气凝胶膜对不同波长的光制备光耦合材
料，可以得到高级的光增透膜。
当通过控制制备条件获得不同密度的SiO2气凝胶时，它的折射率可在1.008-1.4范围内变化，
因此SiO2气凝胶可作为切仑科夫探测器中的介质材料，用来探测高能粒子的质量和能量。
6、电学特性及应用
气凝胶具有低介电常数（1随着微电子工
业的迅速发展，对集成电路运算速度的要求越来越高。
一般而言，所用衬底材料的介电常数
越低，则运算速度越快。
现在集成电路所用的衬底材料为Al2O3，其介电常数为10，目前的
趋势是使用聚酰亚胺或其它高聚物介电材料替代Al2O3，然而，高聚物的热膨胀系数较高，
容易引起应力以及变形。
气凝胶具有一些更优越的特性，其介电常数值很低且可以调节，其
热膨胀系数与硅材料相近因此应力很小，而且相对聚酰亚胺它有良好的高温稳定性。
因此如
将集成电路所用的衬底材料改成气凝胶薄膜，其运算速度可提高3倍。
三、制备工艺
目前SiO2气凝胶的制备由两个过程构成：
溶胶—凝胶过程和醇凝胶的干燥工艺。
.
.
以正硅酸乙酯为原料超临界法制备二氧化硅气凝胶制备流程：
正硅酸乙酯
老化
溶剂置换
超临界干燥
1、溶胶凝胶工艺
目前溶胶凝胶工艺常使用的前驱体采用最多的是TMOS（硅酸甲酯）、水玻璃和TEOS（正硅
酸乙酯）。
由于TMOS有毒和水玻璃制备出的SiO2气凝胶纯净化困难，因此使用最多的是TEOS。
溶胶凝胶工艺是向先驱体加入适量水和催化剂，发生水解缩聚反应：
Si（OR）4+4H20→Si（OH）4+HOR（水解）
nSi（OH）4→（SiO2）n+2nH2O（缩聚）
生成以≡Si—O—Si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的凝胶。
在凝胶形成的过程中，部分水解的有机硅发生缩聚反应，缩聚的硅氧链上未水解的基团可继续水解。
通过调节反应溶液的酸碱度，控制水解—缩聚过程中水解反应和缩聚反应的相对速率，可控制得到凝胶的结构。
在酸性条件下（pH=2～5），水解速率较快，体系中存在大量硅酸单体，有利于成核反应，因而形成较多的核，但尺寸都较小，最终将形成弱交联度、低密度网络的
.
.
凝胶；在碱性条件下，缩聚反应速率较快，硅酸单体一经生成即迅速缩聚，因而体系中单体
浓度相对较低，不利于成核反应，而利于核的长大及交联，易形成致密的胶体颗粒，最终得
到颗粒聚集形成胶粒状的凝胶。
强碱性或高温条件下Si—O键形成的可逆性增加，即二氧化
硅的溶解度增大，使最终凝胶结构受热力学控制，在表面张力作用下形成由表面光滑的微球构成的胶粒聚集体。
2、干燥技术
前驱体经过溶胶凝胶过程而获得的醇凝胶，
由富有弹性的固体网络和网络中的液体组成，
要
得到气凝胶，必须在保持原有的凝胶网络结构不变的情况下，
将网络中的溶剂排除。
而如果
直接进行干燥排除，由于表面张力的作用只能得到固体粉末，
而不能得到块状的不开裂的气
凝胶材料。
为了解决这一难题，
最早采用的是超临界干燥方法。
近年来随着许多科学家的长
期探索，相继出现了亚临界干燥、冷冻干燥、
“微分”干燥和常压干燥技术等。
凝胶的表面存在纳米结构的气孔，
根据干燥机理可知排除溶剂时将产生很大毛细管力，
这可
能导致凝胶结构的坍塌。
因此如何尽可能地消除毛细管力，
改进制备干燥方法成为气凝胶基
础研究的一个重要部分。
3、超临界干燥技术
超临界干燥是把干燥介质加热到超临界点，使凝胶排除溶剂时不存在毛细管力，避免排除溶
剂时引起凝胶结构的坍塌，得到保持凝胶原始性状的一种干燥技术。
采用溶胶—凝胶过程得到的醇凝胶的固态骨架周围，存在着大量溶剂（醇、少量水和催化剂）。
要得到气凝胶，必须设法除去凝胶中存在的溶剂。
采用超临界干燥技术，采用甲醇、乙醇、
异丙醇、苯等作为干燥介质，在超临界点以上排除溶剂的超临界工艺，需要高温高压的苛刻
条件（表1），设备复杂且危险性大。
因此为了尽可能的减小干燥过程中存在的危险，近年来发展出了低温超临界干燥技术。
CO
2
不会燃烧、爆炸，对环境不会产生污染，并且其化学惰性使制备的产品的纯度非常高，
因此
发展出了以CO作为干燥介质（临界温度只有31℃）的低温超临界干燥技术，降低干燥时的
2
临界压力和温度，减小了存在的危险，实现凝胶的干燥。
VanBommel等采用低温超临界干
燥法成功制备了SiO气凝胶。
1
2
4、常压干燥技术
超临界干燥技术耗能高且危险性大，设备复杂、难以实现连续性及规模化生产。
与超临界干
燥相比，常压干燥技术所需设备简单、便宜，且只要技术成熟，就能进行连续性和规模化生
.
.
产。
因此常压干燥技术是气凝胶干燥技术的发展方向。
在常压下通过加入低表面张力的介质和表面改性剂，
替换凝胶中的溶剂，增强凝胶网络的结
构，同时减小了凝胶网络的毛细管力，
尽可能避免溶剂排出时凝胶发生坍塌的现象，
实现了
气凝胶的常压干燥。
由干燥机理可知，气凝胶的非超临界干燥制备，
可以通过以下几种措施来实现，
即增强凝胶
网络骨架的强度，改善凝胶中孔洞的均匀性，凝胶的表面修饰以及减小溶剂的表面张力等。
凝胶干燥过程中，毛细管附加压力与毛细管中溶剂的表面张力直接相关。
通常，经水解和缩
聚形成的醇凝胶，其网络孔洞中充满的溶剂主要是水和醇，
由于水的表面张力很大，
因此在
干燥过程中毛细管的附加压力很大，
这是造成气凝胶制备过程中开裂破碎的直接原因。
如果
通过溶剂替换，用表面张力小的溶剂将水和醇替换出来，
这些表面张力小的溶剂蒸发干燥时，
附加压力将大大减小，对实现非超临界干燥制备气凝胶很有利。
因此，可以用具有极低的表
面张力表面活性剂溶液进行替换，减小毛细孔中的附加压力。
表2列出了常用表面改性剂的表面张力参数。
其次，通过在介观层次上引入各种受控源物质，以及对醇凝胶形成条件的严格筛选，实现材
料配比和制备工艺的优化，从而改善凝胶网络骨架密度，提高网络骨架强度，增加骨架的柔韧性。
只要凝胶的网络结构比较完整，且有足够的强度和弹性，足以抵御在干燥过程中毛细
管附加压力对凝胶的破坏作用，实现SiO2气凝胶的干燥。
5、冷冻干燥
超临界干燥是在高温高压条件下消除了液
/气界面，消除毛细管力的影响。
而冷冻干燥与其
相反，是在低温低压下把液
/气界面转化为气/
固界面，固与气转化避免了在孔内形成弯曲液
面，再使溶剂升华，消除了毛细管力的影响，实现凝胶干燥。
80年代末，Klvana等提出用冷冻法干燥气凝胶材料，随后
Mathieu等用此法合成了具有良好
粘附力、多孔的冷冻凝胶，
Pajonk等2则详细综述了冷冻凝胶的催化作用效果。
然而在形成
具有纳米结构的气凝胶时也存在一些问题：
在冷冻过程中，流体溶剂被冷冻，随着结晶度和
压力的增加，网络结构会被破坏；用乙醇作为溶剂时，温度太低也是一个技术问题
（乙醇冷
冻温度160K，冷冻超小的纳米气孔的材料，
过冷是冷冻流体的必备因素）；当溶剂被冷冻时，
必须减少压力从而使其升华；当溶剂被排出以后，
纯度很高，但是由于在低温，蒸汽压力太
小以至于压力梯度不能达到高的流动性，使溶剂挥发占据大量的时间。
冷冻干燥是一种新型的气凝胶干燥技术。
如果在流体的溶点，通过冷气体对流，凝胶的表面
温度比较稳定，表面得到强化，就可有效地避免干燥时纳米气孔结构的坍塌。
6、传导干燥
Smith报道了将凝胶浸入一种不能进入凝胶结构的溶剂中加热，进行干燥的新型工艺，这就
是传导干燥。
传导干燥通过控制外部流体的温度调控加热的速率，凝胶干燥时它的密度降低，
到了干燥后期，甚至能漂浮到流体的表面。
根据Smith小组的研究，传导干燥与传统的干燥
方法相比，虽然热传导速率快，能量利用效率高，但是难以选择合适的加热液体，且这种技术需要在加热以前，对凝胶的表面要经过化学处理，因此目前利用这种方法制备气凝胶材料的研究较少。
7、蒸发干燥
.
.
如果要在中等的价位制备出大量的SiO2气凝胶，蒸发干燥技术是非常合适的。
然而蒸
发干燥很不成熟，利用它制得的材料一般还限于SiO2干凝胶。
四、主要产品
1、气凝胶复合隔热毡
气凝胶复合隔热毡是一种柔性、无机环保、高效保温、易于施工的隔热毡，该材料是将纳米气凝胶与无机纤维结合在一起，专用于高温各类工业管道、罐体及其他弧面设备的保温隔热。
主要优点
●优异的隔热效果
导热系数为0.018W/（m·k）（25℃时），隔热效果是传统隔热材料2-5倍，且寿命更长。
下图为
气凝胶隔热毡与传统的岩棉，硅酸钙，膨胀珍珠岩在相同的条件下的对比图，从图中可以看
出气凝胶毡在最薄的厚度条件下就能达到与其他传统材料相同的隔热效果
●憎水性和防火性
材料整体憎水，可有效防止水分进入管道、设备内部，同时具有A1级防火性能。
●减少保温层厚度
取得同等隔热效果，厚度仅为传统材料的几分之一。
●施工方便
密度为220kg/m3，质轻，容易裁剪、缝制以适应各种不同形状的管道、设备保温，且安装所需时间及人力更少。
●节省运输费用
.
.
更少的包裹体积及更轻的重量可大大降低保温材料的运输成本。
应用领域
●预制保温管
●储罐，容器等设备保温
●石油开采蒸汽管线
●热电厂、石化厂、化工厂管线
●各类高、低温炉体，移动救生舱
●高速列车、汽车、地铁等车体保温
●建筑领域保温
2、气凝胶复合隔热板
气凝胶复合隔热板是一种纳米刚性保温板，将纳米气凝胶与无机纤维结合在一起，可用于建
筑、机器、设备及其他领域。
其具有极低导热率，节能环保，使用方便及憎水效果优异等特点。
主要优点
●优异的隔热效果
导热系数为0.019W/（m·k）（25摄氏度时），隔热效果是传统隔热材料2-5倍，且寿命更长。
●憎水性和可透气性
可防止水分进入设备表面，但可以透过蒸汽。
●操作简易
密度为320kg/m3，质轻，容易裁剪成各种形状以适应不同的保温需求，安装所需时间及人力
更少。
●节省运输费用
更小的包装体积可大大降低物流成本。
●减少厚度
同等的隔热效果，厚度仅为传统材料的几分之一。
●无机环保
材料整体为无机组成，废弃料可填埋处理。
应用领域
●各类高、低温工业炉体
.
.
●可移动式救生舱
●特殊军事设备
●特殊形状保温壳体
●建筑用一体化保温板
五、气凝胶
1、技术参数
体积密度40~150kg/m3
粒径范围0.5~5mm
比表面积500~650m2/g
孔隙率>90%
孔径20~100nm
憎水性憎水和亲水两类
被称为冷烟、固体烟、固体空气或者蓝烟的气凝胶是目前已知固体物质中最轻并且性能最好
的隔热材料，其体积的90%以上都是极微小的纳米孔洞，其余部分由三维纳米网状孔壁构成。
主要优点
●无可比拟的隔热效果
●出色的光线分散性
●良好的物理稳定性
●可改善声学性能
●高孔隙率，高比表面积
●纳米级孔隙，极低的密度
应用领域
●极低的热导率—制作高性能纳米隔热材料
●独特的纳米结构—制作新型气体过滤材料
●高比表面积—制作超级储能材料或催化剂载体
●声阻抗可变范围较大—可用
升级会员 