气凝胶是一种隔热性能优异的固体材料,具有高比表面积,纳米级孔洞,低密度等特殊的微观结构,基于这些结构在热学方面表现出优异的性能。它的导热率 ~0.012mw/mk、密度~0.16mg/cm3、比表面积在 400-1000m2 /g、孔隙率为 90-99.8%, 它化学性能稳定,内部体积 99%由气体组成,是目前已知密度最小的固体。
气凝胶从发现至今已经经历过三次产业化,目前正处在第四次产业化浪潮的快速发 展中。气凝胶诞生于 1931 年,由 Steven.S.Kistler 在 Nature 杂志上发表《共聚扩散 气凝胶与果冻》标志着气凝胶的发现。也正是 Kistler 首次通过乙醇超临界干燥技术, 制备出世界上第一块气凝胶—SiO2 气凝胶。
第一次产业化发生在 20 世纪 40 年代早期,但是由于高昂的成本,第一次产业化最 终失败。美国孟山都公司(MonsantoCorp.)与 Kistler 合作生产名为 Santocel 的气凝 胶粉体,用来作化妆品、硅橡胶添加剂、凝固汽油增稠剂等。但因为高昂的制造成 本及应用开发的滞后,孟山都公司于 20 世纪 70 年代终止了气凝胶项目。
第二次产业化浪潮中,出现了不同技术方向的典型代表。(1)1984 年,瑞典 Airglass 公司使用甲醇超临界技术,该材料用于切伦科夫探测器;(2)1989 年,美国 Thermalux 公司使用 CO 超临界技术,由于经营不善,项目终止;(3)1992 年,德国 Hoechst 公司以常压干燥技术生产气凝胶粉体,推动其在隔热涂料、消光剂等多个领域的应 用;(4)2003 年,同济大学开始发表常压干燥的研究论文,中国技术工作者在常压 干燥领域的投入逐步增多。
第三次产业化发生在 21 世纪初,在这次产业化中诞生了著名的 Aspen Aerogel 和 Cabot 公司。1999 年美国 Aspen Systems 公司承接美国宇航局的课题,成功制备出 纤维复合的气凝胶超级绝热材料。2001 年正式成立了 Aspen Aerogel 公司进行气凝胶的商业化运作,开始将气凝胶绝热毡推广应用至航天军工、以及石化领域。由此 开启了气凝胶材料第三次产业化浪潮,气凝胶终于找到了一个好的商业化产品模 型。2003 年全球领先的特种化学品和高性能材料公司 Cabot 通过兼并德国 Hoechst, 掌握了常压干燥制备 SiO2 气凝胶材料的生产技术,成立了气凝胶专业公司,主要产 品为气凝胶粉体颗粒,作为涂料添加剂或采光玻璃中的填充层应用。2004 年国内开 始出现从事气凝胶材料产业化研究的企业。
第四次产业化主要发生在国内,随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩 大,一些新兴应用不断开发出来,气凝胶市场日益成熟。2010 年开始,国内首批气 凝胶生产企业陆续成功开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、轨交车厢 及船体防火隔热保温的应用市场。2017 年,我国发布了《纳米孔气凝胶复合绝热制 品》(GB/T34336-2017)国家标准;同年,气凝胶被列入国家重点节能低碳技术推 广目录。2019 年,我国气凝胶产量 7.82 万立方米,2019 年我国气凝胶市场规模约 为 11.23 亿元。
气凝胶行业整体处于生命周期的成长期,多领域蓬勃发展。据 IDTechEX Research 提及,由于气凝胶技术近年来才逐渐进步,目前大多数应用领域仍处于气凝胶推广的早期及成长期。
区域能源、建筑建造、服装、日化、LNG 管道等领域发展较快。目前应用相对成熟的领域主要是油气管道(LNG 管道除外)、炼化项目、工业隔热等。