“双碳”目标下纳米保温材料发展迎来重大机遇

■ 信息来源：浙江圣润纳米科技有限公司（作者：金承黎）

一、“双碳”目标及主要应对举措

2020年9月22日，国家主席习近平在第75届联合国大会上指出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。之后，习近平总书记在不同场合多次讲到“碳达峰、碳中和”，密度之大、力度之大、指标之具体，前所未有。

2020年年底中央经济工作会议提出，“要抓紧制定2030年前碳排放达峰行动方案，支持有条件的地方率先达峰。”2021年初，包括上海、江苏、广东等地提出力争在全国率先实现碳排放达峰。多个城市规划提前实现碳达峰。

图1 多个城市规划提前实现碳达峰

2021年1月13日，生态环境部在《关于统筹和加强应对气候变化与生态环境保护相关工作的指导意见》中表示，要抓紧制定2030年前二氧化碳排放达峰行动方案，鼓励能源、工业、交通、建筑等重点领域制定达峰专项方案，推动钢铁、建材、电力、煤炭等重点行业提出明确的达峰目标并制定达峰行动方案。

2021年3月12日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》对外公布，“十四五”时期经济社会发展主要指标中，到2025年，相比2020年，单位GDP能源消耗降低13.5%，单位GDP二氧化碳排放降低18%。

2021年7月16日，全国碳排放权交易市场正式上线，全国碳市场交易的第一个履约周期为今年全年。其中，纳入发电行业重点排放单位有2162家，排放总量覆盖了约45亿吨二氧化碳，是目前全球规模最大的碳市场。高排放量的企业需要排放的超额二氧化碳就需要购买排放权，这也能倒逼企业进行技术升级、减少碳排放量。随着碳中和目标的确立，我国经济产业结构转型也将进一步深化，全国性碳市场的建设进程也将加速。

2021年7月24日，在全球财富管理论坛2021北京峰会上，中国气候变化事务特使解振华表示，党中央国务院已经成立了碳达峰碳中和工作领导小组正在制定碳达峰碳中和时间表、路线图、1+N政策体系，将陆续发布一个指导意见，这是顶层设计。“1+N政策体系将很快发布，将从十个领域加速转型创新。”

表1 碳达峰碳中和1+N政策体系

此外，解振华还表示，在各国应对气候变化实现绿色复苏政策和行动推动下，世界将迎来一场绿色低碳技术革命和产业变革，这里蕴藏着很大的投资和市场机遇。“我们国家有关机构来测算了一下，如果我们实现中国碳中和目标，大体上需要136万亿人民币投入，这将是一个巨大的市场。”

2021年7月30日财政部副部长朱忠明在国新办发布会上回答中国证券报记者提问时表示，下一步，财政部将系统研究财政支持污染防治和碳达峰、碳中和的政策措施。

二、纳米保温材料的超级绝热性能

纳米保温材料是迄今为止全球最好的保温材料，目前主要分为气凝胶绝热毡和纳米微孔绝热板，市场上以气凝胶绝热毡占主流地位。

气凝胶，是一种具有纳米多孔结构的新型材料，因轻若薄雾蓝色泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，创下15项吉尼斯纪录，在热学、光学、电学、力学、声学等领域显示许多奇特的性能，被称为改变世界的神奇材料，列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，是具有巨大应用价值的军民两用技术。

图2  块状透明气凝胶

图3  气凝胶的纳米孔结构

纳米微孔绝热材料其实是一种类气凝胶产品，或者说是气凝胶的一种特殊存在方式，与气凝胶材料主要区别是：气凝胶采用的溶胶－凝胶技术获得整体连续的纳米孔结构，形象说来就像是一个孔洞尺寸极小的蜂窝，纳米微孔绝热材料制备过程一般是通过分散混合工艺把不同组分的纳米颗粒与增强纤维均匀分散，加入一定量粘结剂，再经压制成型，通过纳米颗粒堆积形成纳米孔洞结构。

图4  纳米微孔绝热板

两者纳米保温材料的绝热原理是一样的，主要都是基于纳米孔的特性。

热量有三种基本传递方式：传导、对流和辐射。对于保温材料而言，热传导主要由保温材料中的固体部分来完成；热对流则主要由保温材料中的气体来完成；热辐射的传递不需要任何介质。 当热量穿过纳米孔材料时候，会发生如下效应从而几乎被完美阻隔：

图5  热量传递的三种基本方式

“无穷长路径”效应：由于近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体中传递时就只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。

“零对流”效应：当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时，气孔内的空气分子就失去了自由流动的能力，相对地附着在气孔壁上，这时材料处于近似真空状态，即产生“零对流”效应。

“无穷多遮热板”的效应：由于材料内的气孔均为纳米级气孔再加材料本身极低的体积密度，使材料内部气孔壁数日趋于“无穷多”，对于每一个气孔壁来说都具有遮热板的作用，因而产生近于“无穷多遮热板”的效应，从而使辐射传热下降到近乎最低极限。不过在400℃以上高温下使用时，仍然需要加入遮光剂来增强气凝胶对高温红外线的辐射的抵抗。

图6 气凝胶与传统绝热材料导热系数对比

1992年，美国召开的国际材料工程大会上提出了超级绝热材料的概念，指在预定的使用条件下，其导热系数低于"无对流空气"导热系数的绝热材料。具有纳米孔结构的气凝胶就是典型超级绝热材料。

表2 气凝胶材料与传统保温材料性能对比（200~600℃） 

 一般而言，使用气凝胶材料带来的突出效益：

（1）隔热性能是传统保温材料是3-5倍，节能效果提升50%以上；

（2）极强的抗老化能力，使用寿命是常规材料的8~10倍；

（3）气凝胶使用厚度是普通材料1/2~1/5，节省空间；

（4）更为简便的施工过程，并大量节省辅助材料；

（5）更少的维护成本，更为可靠的绝热效果；

（6）防火，宽温度适用范围，耐温差冲击；

（7）防水、抗渗、抗裂、抗震；

气凝胶当前以毡为主，纳米微孔以板和异形件为主，在应用温度上，气凝胶一般应用于650℃以下，纳米微孔绝热材料一般应用在700℃以上，1200℃以下的范围。两者在使用温度和产品形态上有互补性。

作为迄今为止绝热性能最好的材料，纳米保温材料在航空航天、石油化工、电力冶金、船舶车辆、精密仪器、冰箱冷库、建筑节能、服装帐篷等领域的有广阔的应用前景，是传统保温材料革命性替代产品。

三、近几年国内纳米保温材料产业化发展情况

1931年美国人Kistler.S.发明了气凝胶，之后就不断有人进行商业化的尝试但都没有成功，2001年与美国宇航局有密切关系的ASPEN公司的成立掀开了真正商业意义的气凝胶产业化浪潮，2014年6月该公司在美国纽约证券交易所上市。

2004中国首家气凝胶商业化公司成立，2010年开始批量销售，国内气凝胶产业化开始了艰难的探索，2014年国内从事气凝胶企业增加到10余家，国内掀起一波气凝胶产业化的浪潮。

2016年美国ASPEN公司对国内两家领头气凝胶企业发起了专利诉讼，国内气凝胶材料产业化脚步放缓。

2019年山西某大型煤化工企业决心向新材料方向转型，重金投资气凝胶产业，国内掀起新一轮气凝胶材料的投资浪潮。到2021年国内多家气凝胶企业的产能建设规划都超过了5万立方米，部分企业更是规划了20~40万立方米的远大产能目标。至此，国内气凝胶材料的产销量也远远超过国外同行，国内的气凝胶的产业化终于经过约15年的努力走在全世界的最前面。

2014年及以前的国内气凝胶产业化，其技术来源几乎都是高校或研究所，由于高校院所与企业都缺乏气凝胶的产业化经验，总体而言产业化的速度不是很快，但是在技术改进、市场培育、人才培养等方面做了很多工作，为后面新一轮产业化浪潮打下了坚实的基础。

2019年以来的国内气凝胶产业化有几个明显特点，一是产值千亿以上的大型企业集团开始积极介入，这些大型企业不仅资金雄厚，人才储备丰富，还有非常强的资源整合能力；二是产业链的上下游企业的积极介入，包括原材料、设备、工程建设和下游终端客户等；三是本轮产业化技术源头多半是已经有产业化基础的气凝胶企业，技术更加扎实，在资金加持下，扩展步伐明显加快；四是政府支持力度显著加大，不仅土地、税收、人才等方面给予优惠政策，态度上也由原来管控多一些变为现在的服务多一些。这些因素将促进本轮气凝胶产业化浪潮达到一个新高度。

国内气凝胶产业除了规模方面正在迅速提升以外，市场应用也正在迅速地铺开。初期主要集中在高铁、油田注气管线、热电联产等领域，近年来，除了石化、电力等领域外，一些新兴市场不断开辟出来，新能源汽车动力电池防火保温成为一个重要的增长极，烤箱等家电行业用量不断增大，建筑节能内外墙保温开始有一些示范案例，气凝胶防寒服装也开始推向市场。

尤其是近年推广的建筑节能和服装行业，这两个行业自身都是千亿级的市场，尽管目前才是刚刚起步，还有很多工作要做，一旦获得突破，对整个气凝胶材料行业的发展意义重大。

纳米微孔绝热板近年来也取得长足的发展，企业数量约有10余家，产品目前主要集中在钢铁、水泥、陶瓷等高温应用场景。

四、 “双碳”目标下纳米保温材料发展迎来重大机遇

对于保温材料行业来说，“碳达峰”、“碳中和”既是挑战更是机遇。在国家大力提倡节能的背景下，保温材料市场容量将大幅增加，尤其是性能优异纳米保温材料将迎来巨大的发展机遇。

2021年1月16日，中国建筑材料联合会向全行业发出“全力推进碳减排、提前实现碳达峰”的《推进建材行业碳达峰、碳中和行动倡议书》：我国建筑材料行业要在2025年前全面实现碳达峰，水泥等行业要在2023年前率先实现碳达峰。

    传统的保温材料硅酸铝纤维、玻璃纤维、岩棉、微孔硅酸钙、泡沫玻璃、泡沫陶瓷等虽然具有一定保温性能，也能一定程度上满足原先化工、电力、钢铁等行业的节能要求，但是在“双碳”目标下，自身也面临两方面的挑战：1）保温材料生产过程中的能耗需要进一步降低；2）保温材料的保温性能需要进一步提升，以提升所服务的工程的节能降耗水平。

如前所述纳米保温材料性能优异，正是传统保温材料的革命性升级替代产品。气凝胶纳米材料在国家发展改革委发布《国家重点节能低碳技术推广目录》（2014~2017年）中多次被列入。

不论是煤电、石化等传统能源和钢铁、建材、化工等传统用能大户的节能降耗，还是核电、太阳能光热发电、新能源汽车动力电池、储能电站等新型能源结构，还是高铁船舶等交通运输工具，还是备受关注的超低能耗建筑，纳米保温材料都有巨大的用武之地。

纳米保温不仅在需求端有巨大是市场机会，还横跨新材料和节能环保两大战略新兴产业，自身发展过程中也能享受很多国家产业升级、绿色低碳技术相关政策支持，这些在“双碳”目标下，将转化为纳米保温材料发展的重大机遇。

五、低成本高效率大批量是纳米保温材料发展的必然路径

纳米保温材料行业经过过年的产业化发展，技术日趋成熟，规模不断扩大，成本不断降低，产品品类更加丰富，但是不必讳言，纳米保温材料当前价格仍然过高，性价比优势还不够大，严重制约了纳米保温材料快速推广和应用。可以说纳米保温材料目前的发展水平要抓住这一发展的重大机遇仍然是远远不够的，低成本高效率大批量是纳米保温材料发展的必然路径。

作为气凝胶材料从业的一名老兵，笔者对气凝胶材料当前存在的以下问题感触颇深：

一是成本高，长期以来，气凝胶材料的设备投入高、生产成本高，导致最终的产品价格高，只能在高端特殊领域应用，大大制约了市场规模；

二是安全性差、有环保缺陷，气凝胶生产过程部分工段暴露在空气中，乙醇等有机溶剂挥发到车间中，造成较大的安全生产隐患，生产过程还会产生大量废水，产品使用过程中容易产生粉尘，对环境和工人健康造成影响；

三是生产效率低、自动化水平低，目前全行业的气凝胶产品生产周期至少都要1~2天，而且不能实现全自动化连续生产。

笔者所在的圣润纳米公司开发了一站式全密闭快速生产气凝胶技术，将彻底解决了这三大痛点，为气凝胶产业的大发展打下了坚实基础。已经申请多项专利，相对于传统的气凝胶制备技术，具有低投资、低成本、低能耗、高产出、高效率零排放、绿色环保、高品质的显著优势，有望迅速实现气凝胶材料的低成本大批量生产，将气凝胶产业迅速做大，对推动我国纳米新材料的发展及节能降耗水平的提升将发挥重大而积极的作用。

具体来说，在以下几个方面，对现有技术进行了替代：

1）全密闭生产代替半密闭生产。原有技术部分生产工段完全裸露在空气中，有机气体挥发严重，身旁操作人员处于巨大危险环境之中，本技术采用全密闭极大提高了安全性，改善了工作环境。

2）一站式生产代替多台设备流转生产。原有技术物料在溶胶－凝胶、老化、改性、干燥等工段需要多台设备之间切换，设备台套多，操作过程复杂，既拉高了投资也降低了效率，还增加了人工。

3）水玻璃快速纯化技术代替水洗工艺。原有技术通过水洗浸泡工艺除去水玻璃中的杂质，不仅去除不彻底还导致大量废水排放，加重了环保负担也增加了企业运营成本。

4）无氯环保改性工艺代替原有含氯工艺。原有技术改性工艺含氯，对生产设备和产品应用（氯离子会腐蚀需要保温的金属管道）都带来极其不利的影响，本技术采用无氯环保工艺彻底去除氯离子的环保及安全方面的隐患。

5）快速固化、老化、改性、干燥技术代替原有慢速技术。原有超临界干燥工艺或常压干燥工艺生产气凝胶往往需要数十几小时到数天的时间，采用本技术可以在6h内完成全部生产流程。

6）低投入低成本技术代替了高投入高成本技术。相同产能设计下，本技术生产线的设备投入仅是CO2原有技术生产线一半左右，成本降低比例达40%。

除了不断升级气凝胶材料生产技术，圣润纳米公司在原有的气凝胶材料和纳米微孔保温板之外还开发了第三种技术路线的新型纳米保温材料。该产品独创水性生产工艺，项目无需落户化工园区，设备投资、生产成本、建设周期大幅减少，产品品类更加丰富，使得纳米保温材料性价比大幅提升，有望迎来纳米保温材料在建筑节能等巨量市场的爆发性应用！

作者介绍

金承黎

浙江圣润纳米科技有限公司、浙江绍兴圣诺节能技术有限公司总经理

中国气凝胶产业化先锋，拥有40余项目气凝胶材料发明专利

负责建成国内第一条气凝胶材料常压干燥生产线

负责建成国内第一条气凝胶材料CO2超临界干燥生产线

行业首创一站式全密闭连续常压干燥生产气凝胶材料技术

行业首创全水性全自动零VOC工艺生产新型纳米保温材料

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