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      隔熱防火領域的新材料——氣凝膠

      發布時間:2023-02-20 10:27   來源:隆眾資訊  責任編輯:畢雁飛

      氣凝膠是一種性能優良、應用廣泛的納米級多孔固態材料,在新能源、石油化工、工業隔熱、建筑建造等領域具有廣泛應用場景,具有低熱導率、低折射率、低聲阻抗等多種優異性能。

      氣凝膠的產品分類

      氣凝膠種類多樣,發展至今已由單一組分的SiO2氣凝膠形成了包括氧化物氣凝膠、有機氣凝膠、碳氣凝膠、復合氣凝膠在內的多種類型。其中SiO2氣凝膠是最早制得,同時也是目前研究時間最長、溶膠-凝膠機理最為成熟、制備工藝最為完善的氣凝膠。據統計,2021年全球氣凝膠市場規模為8.35億美元中,其中SiO2氣凝膠占比近7成。

      1 氣凝膠主要產品分類

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      資料來源:《氣凝膠材料及其應用》

      氣凝膠被應用于各行各業,不同產品具備不同的特性并用于不同的應用場景。

      2 不同氣凝膠優缺點及應用場景

      氣凝膠分類

      優點

      缺點

      應用

      SiO2氣凝膠

      密度低、比表面積高、孔隙率可達99%以上

      高度脆性及易碎性、生產成本目前偏高

      主要用于諸多領域的隔熱、吸附

      Al2O3氣凝膠

      熔點高于2000℃、具備高溫熱穩定性的同時具備良好的保溫隔熱效果

      金屬鋁醇鹽對水具有高的反應活性,因而很難控制其縮聚反應進程

      用作高壓絕緣材料、高速或低速集成電路襯底材料、真空電極隔離介質以及超級電容器

      ZrO2氣凝膠

      高熔點、耐超高溫性能

      生產成本高

      高溫絕熱材料、高溫催化劑及吸附劑

      V2O5氣凝膠

      比電容高、比表面積大

      低電導率、離子擴散性能差

      用于鋰離子電池陰極材料以及超級電容器電極材料的研究

      碳氣凝膠

      更高的孔隙率及比表面積、密度變化范圍更廣且擁有很高的電導率

      應用較少,工藝少見

      主要應用于高溫隔熱、保溫材料方面

      資料來源:《氣凝膠材料的研究進展》、《氣凝膠材料及其應用》

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      氣凝膠的應用場景

      氣凝膠制品主要包括氣凝膠氈、氣凝膠紙、氣凝膠布、氣凝膠板材、氣凝膠粉末等,下游應用場景廣泛,涉及石油化工、建筑建造、到工業隔熱、交通等領域,其中石油化工為最大應用領域,消費占比達到56%,其次應用于工業隔熱,占比為18%。在新能源領域,氣凝膠則主要應用于動力電池電芯之間的隔熱阻燃、模組與殼體之間的隔熱防震層、電池箱的外部防寒層和高溫隔熱層等。未來隨著氣凝膠技術的進步,應用場景十分廣闊,是具備成長空間的大賽道和大單品。

      1 氣凝膠消費結構

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      資料來源:IDTechEx

      其中,氣凝膠氈是氣凝膠終端的產品形態。氣凝膠氈是指使用纖維增強法以改善氣凝膠脆性、增強力學性能制備而成的氣凝膠復合材料。其原理是將纖維作為支撐骨架,支撐具有納米孔結構的氣凝膠,使制得的復合材料更適用于多領域的應用。制備氣凝膠氈最簡單的方法是將短纖維(后來發展到預制纖維氈)在凝膠之前加入到溶膠中,使得兩者能夠充分結合以生成復合材料。制備使用的纖維分兩大類:一類是有機纖維(聚丙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維等);另一類是無機纖維(硅酸鋁纖維、陶瓷微纖維和玻璃纖維等)。各種研究表明使用纖維增強制備氣凝膠復合材料可以加強氣凝膠的力學性能,使二氧化硅氣凝膠的實用性進一步增強。目前市場上尤其以二氧化硅氣凝膠氈應用最為廣泛,納諾科技、愛彼愛和等公司正在致力于氣凝膠氈的研發與市場推廣。

      氣凝膠氈可制成多類復合產品,應用于新能源汽車電芯模組、PACK及整車的防火隔熱系統等。

      3 氣凝膠制品及其功能

      氣凝膠制品

      應用部位

      功能

      氣凝膠隔熱墊

      電芯間、模組間

      以氣凝膠氈作為防火隔熱芯材,用薄膜或涂層封裝,兼具緩沖功能的復合產品??裳b配于電芯間及模組間,有效阻隔熱擴散。

      膨脹型防火涂料

      鋁制PACK等

      雙組份無溶劑型環氧防火涂料,涂刷于異型基材表面,遇火時涂層發泡膨脹并碳化形成隔熱耐火層,可應用于鋁制 PACK 等部位提高其耐火性能。

      氣凝膠防火毯

      模組PACK、車身底板部位

      以氣凝膠氈作為防火隔熱層,使用玻纖布等貼面復合,可大面積使用的防火隔熱產品。產品可用于模組 PACK 及車身底板部位,延緩電池火焰蔓延,保護人員安全。

      防火絕緣復合帶

      模組外側

      以陶瓷化硅橡膠與玻纖布復合而成的耐高溫防火絕緣材料,可應用于模組外側,解決電池組高溫下絕緣失效問題。

      氣凝膠泡棉

      車載電子、電池組等

      以氣凝膠與有機材料復合而成的彈性泡棉材料,產品隔熱性能突出、輕薄有彈性,可應用于消費電子、車載電子、電池組等部位進行隔熱或保溫。

      資料來源:愛彼愛和

      氣凝膠企業與工藝

      2021年,國內氣凝膠產量達到75萬立方米,約合15萬噸,其中主要生產企業包括江西晨光新材料股份有限公司、江西宏柏新材料股份有限公司、江蘇泛亞微透科技股份有限公司、納諾科技有限公司、貴州航天烏江機電設備有限責任公司、愛彼愛和新材料有限公司等,同時在規劃企業眾多,包括晨光新材(規劃產能約33.5萬立方米)、宏柏新材(規劃產能1萬立方米)、中國化學(規劃產能25萬立方米)、江瀚新材(規劃產能1萬立方米)等。

      氣凝膠的生產制備主要分為兩步:第一步通過溶膠-凝膠過程制得凝膠;第二步通過一定的干燥方法將凝膠內的液態物質替換為氣態從而制得氣凝膠。溶膠-凝膠過程是制備氣凝膠最核心的過程,它通常是指前驅體在催化劑(酸或堿)的作用下進行水解縮聚反應后形成溶膠,進而通過老化形成凝膠的過程。通過改變前驅體種類、催化劑濃度、體系溫度及pH等參數,可實現對凝膠骨架微觀結構的調控。而材料的結構往往決定其所具有的功能,因而通過調節溶膠凝膠參數可制得具有特定功能的氣凝膠。

      干燥方法分為常壓干燥法和超臨界干燥法。其中,超臨界CO2干燥法工藝較為成熟,工藝包完善,為市面上較多采用的氣凝膠生產工藝,如愛彼愛和、晨光新材、宏柏新材等。常壓干燥是常見的干燥方法中操作簡單經濟的方法,可降低氣凝膠的生產成本,但是工藝難度較大,目前納諾科技等采用此方法。氣凝膠氈是氣凝膠終端的產品形態,是指使用纖維增強法以改善氣凝膠脆性、增強力學性能制備的氣凝膠復合材料,在實際應用時氣凝膠制品以膠氈形態使用。

      超臨界干燥法

      超臨界干燥法是最早提出、應用最為廣泛的干燥方法。它是指將干燥溶劑的溫度、壓強均提升至其超臨界點以上,從而消除凝膠孔洞內的氣液界面,是對樣品進行干燥的方法。為了避免溶劑的蒸發,在超臨界干燥前會預先向高壓釜內充入一定量的N2,從而達到預增壓的效果。通常被用于超臨界干燥的試劑包含以乙醇為代表的有機溶劑與液態CO2兩類,與有機溶劑相比,選用液態CO2作干燥介質操作更為安全,同時較低的超臨界溫度及壓力會使凝膠骨架在干燥過程中基本保持不變,凝膠表面的化學基團也會相對穩定存在,但CO2超臨界干燥存在漫長的溶劑替換過程,同時要求被替換的溶劑能夠與液態CO2互溶,因此時間成本較高。但是超臨界CO2干燥法工藝較為成熟,工藝包完善,為市面上較多采用的氣凝膠生產工藝,如愛彼愛和、晨光新材、宏柏新材等公司均采用此方法。

      常壓干燥法

      常壓干燥不需要超臨界干燥所使用的高壓釜,但需要漫長的溶劑替換過程,從而避免在干燥過程中凝膠吸水以及氣液界面張力對凝膠骨架造成破壞。通常在進行常壓干燥前需要將凝膠內的溶劑替換為表面張力較小的試劑,之后對凝膠表面進行修飾處理,即將凝膠表面親水的羥基替換為疏水的甲基,最后再進行干燥。相對于超臨界干燥而言,常壓干燥在保持氣凝膠微觀結構的同時也有效地降低了干燥過程是的危險性,是4種常見的干燥方法中操作最簡單、使用最經濟的方法。常壓干燥工藝可降低氣凝膠的生產成本,但是工藝難度較大。

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      氣凝膠的未來發展方向

      一、氣凝膠在動力電池及整車的新型防火隔熱材料方面,有望加速滲透

      氣凝膠氈可制成各類復合產品,用于新能源車動力電池及整車的防火隔熱系統。隨著新能源汽車產業的快速發展,動力電池的熱安全問題引起相關部門的關注:高溫、過充、內短路以及機械破壞均可能引發動力電池組的熱失控,造成火災,威脅駕乘人員的安全。2020年年5月月,工信部發布的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》提出:電池單體發生熱失控后,電池系統需在在5分鐘內不起火,為乘員安全逃生提供時間。電池廠、主機廠一般在電芯之間、模組和PACK的上蓋使用防火隔熱材料,從而延緩或者阻止電池組熱擴散以及火焰的蔓延。目前常用的防火隔熱材料包括:玻璃纖維棉、硅酸鋁棉、復合隔熱板等。然而傳統防火隔熱材料存在導熱系數高、厚度大、防火防水性能一般、保溫性能衰減快等缺陷。根據中國科學技術大學論文《二氧化硅氣凝膠及其在保溫隔熱領域應用進展》:相較于傳統保溫材料,二氧化硅氣凝膠只需需1/5-1/3的厚度即可達到同等的隔熱效果,為動力電池及整車節省更多空間。目前,河南愛彼愛和新材料有限公司的氣凝膠隔熱墊、氣凝膠防火毯、防火涂料、防火絕緣復合帶等氣凝膠系列產品已構建起電芯模組、PACK及整車級別的立體式防火隔熱系統,以使電動汽車滿足GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中的熱擴散防護標準。

      二、氣凝膠在傳統的建筑保溫材料方面,替代市場廣闊

      傳統的建筑保溫材料是千億級市場,氣凝膠制品憑借優異的性能、輕薄的結構有望加速替代。在辦公室、潔凈室、冷庫、工廠、家庭取暖制冷等場合,日常需要耗費大量電能來維持建筑內特定的溫度,使之達到相應的使用條件。因此在建筑的內外墻使用保溫隔熱材料,可減少建筑內部空間與外界溫差而造成的能量損失,有利于節能、降耗。據西安市建筑節能協會數據,2021年我國外墻保溫材料的市場規到模已達到1718.70億元,2015-2021年的年均復合增速高達20%。相較于傳統的墻體保溫材料,氣凝膠制品具備性能好、厚度薄、節省建筑空間等優勢。據論文《SiO2氣凝膠纖維復合材料制備及其在建筑節能領域應用的進展》,相較于傳統的墻體保溫材料(聚氨酯發泡板、巖棉板、石膏保溫砂漿、?;⒅楸厣皾{等),氣凝膠復合產品的導熱系數與燃燒等級均占優勢,為達到同樣的建筑節能設計標準,傳統的建筑保溫材料用需使用40-50mm,而氣凝膠氈/板保溫層僅需需15-25mm,因此使用氣凝膠制品可使保溫材料在建筑空間中的占比減少約約50%。

      三、氣凝膠可有效減少管道輸送中的熱量損失,市場潛力大

      近年來,氣凝膠氈作為一種新型絕熱材料廣泛應用于石化行業油氣傳輸、蒸汽管道和工藝管道上,可有效保護管道介質在輸送過程中熱量的損失。目前,用于管道保溫的材料主要有硅酸鈣、復合硅酸鹽、巖棉等。這些保溫材料的導熱系數會隨著環境溫度和濕度的上升而產生較大幅度的增大。為滿足不超過規定的最大允許熱損失量的要求,就需要增加保溫材料的厚度。使用較厚的保溫層,對材料的運輸、施工、使用空間等都會造成較大影響。因此,采用技術先進、高效保溫的材料對熱力管道進行節能技術改造,減薄保溫層厚度,降低管線熱損失,是熱力管道節能保溫的重要攻克領域。氣凝膠的孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程,可使氣凝膠孔隙中空氣分子近似靜止,避免了空氣的對流傳熱,氣凝膠很低的體積密度及納米網絡結構的彎曲路徑也阻止了氣態和固態熱傳導,趨于“無窮多”的空隙壁可以使熱輻射降至最低。通過三方面共同作用,幾乎阻斷了熱傳遞的途徑,使氣凝膠達到十分出眾的絕熱效果,甚至遠低于常溫下靜態空氣0.025W/(m·K)的導熱系數,達到0.013W/(m·K)以下。對比傳統保溫材料,二氧化硅氣凝膠絕熱氈導熱系數僅為傳統保溫材料的1/3~1/5,保溫隔熱能力是傳統材料的2~8倍;具有優異的防火性及防水性,具備較好的抗拉、抗壓能力及化學穩定性。根據論文《二氧化硅氣凝膠絕熱氈的應用及性能分析》,中國石化塔河煉化的常壓焦化裝置使用傳統的III型高溫玻璃棉氈保溫材料,后續管道保溫結構改造采用二氧化硅氣凝膠保溫毛氈+單面鋁箔玻纖布保溫材料組合保溫的方式,論文通過對高溫管道改造前后對比分析計算表明:(1)采用二氧化硅氣凝膠絕熱氈新型保溫材料后,熱損失降低了34.66%,節能效果明顯;(2)二氧化硅氣凝膠絕熱氈作為新型保溫材料,其保溫性能明顯優于傳統保溫材料,突出表現為熱力管道起終點溫差明顯低于傳統保溫材料,保溫層厚度較傳統保溫材料降低50%以上。因此,二氧化硅氣凝膠絕熱氈作為新型保溫材料,具有防火隔熱、防水、超低導熱系數等性能,且使用壽命長,是煉油企業高溫管道的理想選擇。


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