气凝胶，黄金发展期将至
在新材料领域，“气凝胶”成了近两年出现频率不断增加的热词，科研院校不断传出研发新动向、应用新进展；山东、江苏、浙江、湖南、陕西、河南等省也将气凝胶材料的发展列入本省重点支持领域和发展重点；今年1月6日国家发改委将气凝胶材料列入国家重点节能低碳技术推广目录。那么，作为气凝胶产业国际第一梯队成员，我国气凝胶行业发展状况如何？商业化现状如何？技术发展方向是什么？
我国处于国际第一梯队
2014年世界材料大会提出，气凝胶由90%以上的空气和不足10%的固体构成，它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200℃时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。由于具备这些特性，气凝胶成了航天探测中不可替代的材料，俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器都用它来进行绝缘。
除航天领域应用外，气凝胶还可广泛应用于军工、石化、电力、冶金、建筑、服装等众多领域，是传统保温材料的革命性替代产品。
气凝胶领域专家、同济大学教授沈军介绍，气凝胶材料是当今世界上已知的最轻固体材料，目前最轻的气凝胶仅有0.16毫克/立方厘米，比空气密度略低，具有极大的比表面积和极低的导热系数。用气凝胶材料做成的防寒外套，仅3mm厚但具有与40mm鸭绒外套相同的保温效果。
在-196℃的液氮测试中，这件外套内部还能保持约31.6℃的温度。气凝胶是一种可以改变世界的神奇纳米材料，气凝胶之所以具有这样的秉性，主要由于其特殊的纳米多孔结构。
令人欣慰的是，不同于其他新材料，我国的气凝胶材料产业化水平几乎与世界同步，并且呈现出良好的赶超态势。据了解，2001年与美国宇航局有密切关系的ASPEN公司的成立，是气凝胶产业化的开始；而我国气凝胶研究从上世纪90年代已经开始，首家商业化公司成立于2004年。
沈军表示，目前气凝胶产业比较领先的是美国和中国，中国已经达到了国际先进水平。“总体不低于国际水平，某些指标高于美国产品，应用市场也不少于美国。”同济大学教授倪星元说到。
业内人士介绍，2016年11月3日，我国新一代大运力运载火箭“长征五号”在海南文昌卫星发射中心成功首飞。其中，为火箭燃气管路系统提供隔热保温的就是国内自主研制的高性能纳米气凝胶隔热毡。我国的气凝胶除了应用在航空航天领域，还应用于石油化工、高铁、油田等领域，应用市场广泛。
黄金发展期到来
Allied市场研究公司之前发布的报告称，全球气凝胶的市场价值到2020年可达18.966亿美元，从2014~2020年的年复合增长率为36.4%。随着气凝胶材料在新应用领域探索的持续进步，市场增长动力会进一步增强。
中国气凝胶市场随着应用领域不断开发，以高于国际平均水平的速度迅速扩张。2014年国内气凝胶产量大约为8500立方米，进口产品大约1500立方米，市场规模大约为1.82亿元。从去年开始，气凝胶市场迎来产销规模突增，浙江绍兴圣诺节能技术有限公司总经理金承黎向记者介绍，去年行业新增产能约2万立方米，主要是由于已经实现量产的气凝胶企业扩产，使市场规模达到3.30亿元。
他介绍，今年除了原有企业扩产外，新建企业也成为了贡献产能的重要力量。估计今年新增产能也在2万立方米左右。预计2015年到2020年气凝胶材料将在工业和设备领域获得大批量应用；2020年开始全面替换传统工业保温材料，分享国内每年约500多亿元的工业保温材料市场；2020年开始，气凝胶材料将在建筑领域开始大规模应用；2025年将全面替代传统建筑保温材料，分享国内每年1000多亿元的市场。不仅如此，到2020年，气凝胶行业企业将迅速增多，产能将急剧扩大，气凝胶行业整体进入暴发式增长阶段。
虽然前景可期。但目前，我国气凝胶材料仍处于发展初期，还没有形成一批优势企业，尚没有一家企业形成稳固的龙头地位。
金承黎认为，未来三五年是气凝胶材料的黄金发展期，掌握低成本核心技术和一定市场资源的企业将获得巨大发展空间，也可以迅速成为行业内的优势企业。
成本制约市场应用
随着时间发展，建筑保温材料要求越来越高，要求比重低、防火、导热系数高。气凝胶毡与现有的保温材料相比，其热导率较低，保温隔热性能优秀；气凝胶毡更轻薄，同样质量可以覆盖更多面积；此外，气凝胶复合制品还在隔音、防火、防潮等方面优异性能。
多位业界人士表示，目前制约气凝胶市场拓展的最大障碍是价格。倪星元向记者介绍说：“在建筑领域隔热、保温上，现有保温材料几十元一平方米。虽然气凝胶两三年前每平方米要200元以上，但随着气凝胶规模化生产，现在已经降到了100多元。但目前气凝胶的价格与市场接受程度还有差距，相信今后会越走越近。”
气凝胶因成分不同，主要有二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶和碳气凝胶等。当前，二氧化硅气凝胶技术最为成熟，市场应用扩展最广。国内外气凝胶的产业化发展大多围绕二氧化硅气凝胶绝热应用展开。
碳气凝胶的制备工艺也较为成熟，国内碳气凝胶材料作为锂电池的阳极材料以及海水淡化电极已有应用；而且碳气凝胶材料已经作为大型激光装置中高激光损伤阈值的光学薄膜在应用。但是碳气凝胶生产成本较高，阻碍其应用范围以及扩大应用量。专家建议，应当简化碳气凝胶的制备工艺，降低其生产成本。
金承黎认为，一旦气凝胶材料生产成本得以显著下降，市场价格也会下降，市场规模就会急剧扩大。比如，二氧化硅气凝胶将革命性地替代传统绝热材料。
常压干燥是工艺方向
目前，二氧化硅气凝胶的制备通常包含溶胶-凝胶和干燥两个主要过程，通过溶胶-凝胶工艺获得所需纳米孔洞和相应凝胶骨架。由于凝胶骨架内部的溶剂存在表面张力，在普通的干燥条件下会造成骨架坍缩，气凝胶制备技术核心在于避免干燥过程中由于毛细管力导致纳米孔洞结构塌陷。
沈军形象地介绍，这类似于做豆腐，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。
根据工艺不同，气凝胶干燥主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种。超临界干燥技术是最早实现批量制备气凝胶的技术，也是目前国内外气凝胶企业采用较多的技术，通过压力和温度控制，使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点。处于超临界状态的溶剂无明显表面张力，从而可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架结构，在保持原有结构的前提下去除凝内的大量液体而制得气凝胶。
常压干燥工艺的原理是首先选用一种低表面张力的溶剂置换湿凝胶孔洞中表面张力较大的水和醇，然后对凝胶表面进行疏水改性，使凝胶收缩程度降至最低；另外，通过调节凝胶孔洞的均匀性和增强网络骨架强度来减小毛细管压力的影响，从而可以在常压下制得结构和性质与超临界干燥制备出的气凝胶相接近。
超临界干燥使用高压设备，一般工作压力高达7MPa~20MPa，前期投入高，运行和维护成本也较高；常压干燥技术采用常规的常压设备，由于不需要高压条件，前期投入低，但技术门槛却较高，对配方的设计和流程组合优化有较高要求。
专家认为，常压干燥是一种新型的气凝胶制备工艺，是当前研究最活跃，发展潜力最大的气凝胶量产技术。“目前都在朝这方向发力。”倪星元这样告诉记者。
金承黎介绍，气凝胶如果要迎接建筑保温的巨大市场，比如达到年产50万立方米的中型规模，采用超临界干燥技术的设备投入将高达数十亿元，不利于气凝胶企业做大做强。而采用常压干燥技术，企业可以较少投资实现较大生产规模，更能适应未来大规模生产的需要。
此外，受限于硅源，超临界干燥技术的原料成本降低空间有限，只能通过优化系统提高生产效率；而常压干燥对廉价硅源接纳能力较强，流程优化方面也有较多自由度，因而拥有更大的成本下降空间。
金承黎表示，常压干燥能够实现气凝胶连续式自动化生产，效率可提高3~5倍，产品质量稳定性和生产安全水平也可大幅提升。
来源：中国化工报
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