重庆气凝胶产业

有着“可以改变世界的新材料”之称的气凝胶行业如何应用发展，如何推动气凝胶产业升级? 2021年5月18日至19日，在重庆举行的第二届中国气凝胶产业创新发展大会暨产业链协同发展对接会上，来自全国气凝胶材料研发、生产、应用领域的专家、学者和企业代表齐聚一堂，畅谈气凝胶产业发展。据了解，此次会议由合川区政府，中国绝热节能材料协会气凝胶分会主办，旨在促进气凝胶行业的应用发展、解读产业政策、破除行业痛点、展示行业前景、推动产业升级。今年起，合川将成为中国气凝胶产业创新发展大会永久举办会址。会上，重庆新材料(气凝胶)产业专家委员会、厦门大学材料学院中科润资气凝胶应用研究中心、重庆中科润资气凝胶研究院正式成立。此外，重庆气凝胶工业研究设计院也正在筹建中，今后将成为国内外气凝胶产业的技术高地和产业“发动机”。

重庆近年来开始布局气凝胶产业，合川区、长寿区分别引进气凝胶项目，布局产业发展。合川区更把以气凝胶为龙头的新材料作为主导产业之一重点培育发展。2020年3月，合川区签约引进气凝胶项目，该项目依托于厦门大学材料学院全自主知识产权的研发成果，一期由中科润资科技股份有限公司投资12亿元，建设具有全球领先技术的气凝胶制备生产线。项目一期30条生产线已于2020年9月建成投用，年产值可达20亿元。引进建设的中科润资气凝胶产业基地正逐步成长为气凝胶行业的头部企业。目前合川区已制定《合川气凝胶产业发展规划(2021-2025)》，依托气凝胶产业基地，与厦门大学材料学院等建立了紧密战略合作关系，成立了重庆气凝胶产业研究院，先后引进一批链上企业，不断“补链成群”，“政、金、产、学、研、用”六位一体的产业生态逐步构建成型。

　中国化学华陆科技拟在长寿建设纳米气凝胶复合材料一体化项目，该项目总投资40亿元，占地938亩，分三期建设，达产后预计可实现年销售收入40亿元，可实现综合税收8亿元。气凝胶是一种高分散固态三维纳米材料，是目前已知热导率最低的固体材料，被誉为“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。该项目建成后，将成为中国领先、世界一流的集研发、生产、上下游供应链为一体的气凝胶新材料产业基地，将带动长寿经开区新材料产业链发展。

2021年10月8日，位于长寿经开区的华陆新材料有限公司正在演示实验，项目将于年底正式投产。

认识气凝胶

　  气凝胶是什么？首先我们来认识下“凝胶”。

　　一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶。

　　果冻是最早被科学家们认识的一种凝胶，这种凝胶是被水或其他液体充满后形成的。还有一些凝胶是被气体充满后构成的，这就是“气凝胶”。

　　1931年，美国科学家Samuel StephensKistler制备出了这种新材料，命名为“aerogel”，气凝胶。“aero”+“gel”描绘出这种新材料的特点，即一种由气体填充的凝胶。

　　气凝胶相比于普通多孔材料有一个重要的特点：其骨架在纳米尺度。因此，当可见光穿过时散射较小，因其半透明的色彩和超轻重量，看上去像“冻住的烟”。有时也被称为“固态烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，最高能承受1400摄氏度的高温。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。气凝胶的这些特性在航天探测上有多种用途。俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器上，都用到了气凝胶材料。

　　气凝胶密度极低，是世界上最轻的固体。目前，最轻的气凝胶是一种“全碳气凝胶”，密度仅有0.16mg/cm³（去除空气密度），仅为空气密度的1/6。把这种材料放在花朵上，柔软的花蕊几乎没有变形。

气凝胶的种类很较多，有石墨烯气凝胶，硅系，碳系，硫系，金属氧化物，金属系等等。

气凝胶是通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料^，二氧化硅气凝胶在制作过程中，液态硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合，形成凝胶，然后将凝胶放在一种类似加压蒸煮器的仪器中干燥，并经过加热和降压，形成多孔海绵状结构。最终获得的气凝胶中空气比例占到了99.8%。

气凝胶早期研究单位

2013年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等。国内主要集中在同济大学波尔固体物理实验室、国防科技大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、纳诺科技有限公司及广东埃力生高新科技有限公司。

气凝胶的作用和应用

1、  多孔性质衍生出的性能，它有着极低的热导率，可以作为超级隔热材料，替代传统的玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐纤维制品等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。

A,军事及航空航天领域，目前主要应用在太空服的绝缘材料和飞行器隔热，航天器材超低温的保温等，机舱隔热层、船舶的舱壁甲板烟囱等隔热，在2018年火星探险时，宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服。该公司的资深科学家马克·克拉杰沃斯基说，只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层，那么它就能帮助宇航员扛住1300℃的高温和零下130℃的超低温。

B,工业及建筑绝热领域，在电力、石化、化工、冶金、建材行业以及其他工业领域，热工设备大量存在。其中由于一些设备的特殊部位和环境，受到重量、体积或空间的限制，都需要用到这种高效的超级绝热材料。新能源太阳能热水器、太阳能电池板，石油液化天然气，化工管道。输送高温蒸汽等介质的管道保温，冷藏集装箱，这类低温保温工程等。是传统隔热材料革命性替代产品。

C,太阳能热水器领域，太阳能热水器及其他集热装置的高效保温是进一步提高太阳能装置的能源利用率和其实用性的关键因素。将气凝胶材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器等，比现有太阳能集热效率更高，更有效。

D, 气凝胶更好地应用到日常服装等领域， 气凝胶复合材料的保暖性很好，但是克重较重，柔韧性较差，而且在使用过程中气凝胶粉末会逐渐的逸出，体验效果不够理想。这一“世纪性难题”终于在2018年得到了解决。气凝胶真正地做到了柔性可穿戴，并将其应用在服饰中，真正做到了让科技造“服”于人。

2、   某些气凝胶还表现出优异的吸附性能，GA密度小，且亲油，可用于海洋废油的回收利用，如“碳海绵”，现有的吸油产品一般只能吸自身质量10倍左右的液体，而“碳海绵”的吸收量是250倍左右，最高可达900倍。同时，“碳海绵”具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状。这让人很容易想到用它来处理海上的漏油，将它们撒在海面上，就能把漏油迅速地吸收进来，因为有弹性，吸的油能够被压出来回收利用。有望在治理海上漏油方面发挥重要作用。在气凝胶中嵌入了铁磁性四氧化三铁纳米粒子，使得气凝胶带有铁磁性，这样的话加磁场气凝胶可以自行压缩挤压，实现了智能可控性和磁驱动性，氧化石墨烯气凝胶（Graphene Oxide Aerogels）简记为GOA，石墨烯气凝胶（Graphene Aerogels）简记为GA.

3、  在储能器件方面（新型充电电池），另一部分的性能来源于构成气凝胶骨架的成分处于纳米尺度。纳米尺度粒子本身具有的某些性能，以气凝胶的形式存在时，往往会得到增强。比如锂电池的电极材料——二氧化锰(MnO²)，当它以气凝胶的形式存在时，锂电池的放电性能得到了大幅度提高。

4、  用作环保处理材料，现有的环保技术在处理废水中的金属离子时，一般采用离子交换法，加热蒸发方法，反相渗透方法；与之相比，碳气凝胶进行电吸附去除溶液中的金属离子具有很多优势，包括可以再生、减少了二次污染，节约能量；超高比表面积、超低密度、良好的化学惰性、耐腐蚀性和高压缩的力学特性，通过对表面功能团的修饰可作为选择性油水分离吸附剂，且可以通过蒸馏或燃烧重复使用。集大孔、介孔和微孔结构能产生强烈的热电子效应并提高光热转化效率，碳气凝胶可以进行海水淡化、硬水软化和污水处理的材料。

5、  用作生物医疗材料，碳气凝胶具有高孔隙率、生物机体相容性及可生物降解特性，因而在医学领域具有广泛用途，可应用于诊断剂、人造组织、人造器官、器官组件等。特别适用于药物控制释放体系，可获得很高的药物担载量。

6、  其它领域应用防弹不怕被炸，网球拍击球能力更强，能源汽车隔热防火、电子产品、芯片保护、动力电池热失控，日用化工等行业的应用。

价格与密度和厚度有关

气凝胶密度做的越低价格约贵（线上参考价格），现在气凝胶量产化了，原料按公斤卖，一般厚度3mm，65.00元，6mm    75.00元，10mm     95.00元，导热系数（常温）    0.035。岩棉玻璃棉管壳外墙保温阻燃防火隔音憎水岩棉管，导热系数（常温）0.004。大量窑炉用气凝胶站 吸音憎水气凝胶毡 保温气凝胶毡：导热系数（常温）   0.012-0.018，厚度5毫米，8毫米，10毫米，密度：180-220KG/立方米，价格180-200元/平方米

纳米二氧化硅气凝胶耐高温涂料热力管道高温设备保温隔热涂料：导热系数（常温0.038-0.045W/m·k，1升装灌，320元，使用温度小于500度，密度：0.40-0.55KG/L。单位面积使用量0.85-1.10L/平方米。

厂家供应憎水气凝胶毡 二氧化硅气凝胶保温毡价格28元/平方米,3MM-10MM，使用温度650，导热系数0.015-0.023W/M.K，密度180公斤/立方米，憎水性99.2%，用于风管，工业管道，工业炉体，直埋管道，注塑机，高温蒸汽管道等。建筑保温、蒸汽管道、加热设备、

应用如管道的温度是500度，之前用的传统材料包裹了15厘米的厚度，表面温度才降到150左右。使用的气凝胶材料6毫米的厚度，测试表面温度是54度左右。确实和他们销售说的一样，减少了不少保温层外层的包覆材料。保温效果还非常好使用寿命可达是20年左右，节约更换的各种成本。

气凝胶的目前应该的主要种类

一，硅气凝胶

制备硅气凝胶的过程大致是这样的：原料是水玻璃，它是可溶性硅酸盐；适当加入聚缩物质（就像水缸中加入一点点明矾一样）；在溶液中就形成了固体的框架，但也含有盐类物质；用大量的离子水冲洗盐；再用冷冻负压干燥的方法，把溶液去掉；还要做后处理，即做老化、防开裂等一系列处理步骤；最后得到独特性能的气凝胶。

硅气凝胶是固体材料，它的基本特点是，多孔、无序、具有纳米量级连续网络结构，框架的孔隙率高；比表面积大；框架有弹性，压缩后可以回弹；整体的密度很低，所含有的空气占整体的99.8%以上；它的成分和玻璃一样，都是二氧化硅，但硅气凝胶是世界上最轻的固体。

硅气凝胶是目前隔热性能最好的固体材料，在民用方面，玻璃、墙体、冰箱、管道的隔热，其效果非常好；特别是在航空、航天、军事中，越来越多地使用这种好的隔热材料。

硅气凝胶具有巨大的孔隙率和巨大的比表面积，是做催化剂的最佳结构，但是它的隔热性又阻碍了催化过程；科学工作者想出办法，把氧化钛溶液和二氧化硅溶液混合后再做气凝胶；于是就制成同时含有“氧化钛-二氧化硅”的气凝胶催化剂。从中人们得到启发，可以制成多种多样的气凝胶催化剂。

硅气凝胶具有非常好的隔音效果，原因是空隙小，再加上它耐高温、抗老化、耐腐蚀，所以把它用于玻璃之间的隔音层、声学仪器的隔音装置都有极好的效果。

硅气凝胶做集成电路的衬底效果好，因为它绝缘性好，耐击穿电压相对高，热膨胀系数与硅材料接近，热稳定性好。它将取代以前通用的衬底材料。

硅气凝胶独特的性质引起人们在基础研究方面的兴趣。科技工作者希望不同的气凝胶能够解决不同的应用目的。

二．碳气凝胶

受到硅气凝胶制作方法的启发，人们用一种可以碳化的有机材料，配置成有机材料的溶液，加进凝结剂，制成有机的气凝胶，在惰性气体中高温碳化处理，于是就得到了碳气凝胶。这里介绍的仅仅是一种直观制作碳气凝胶的方法，现在已经有其它的可以批量生产的方法了。碳气凝胶是一种纳米尺度三维网络结构，网络结构有弹性，比表面积非常大，整体重量特别轻，是一种新型碳素材料。碳气凝胶，它一是气凝胶类的，二是碳质的，这就决定了它的众多的应用。下面列举几个例子。

三．石墨烯气凝胶

希望用石墨烯碎片制作气凝胶，可使用通常的制作方法，即“溶液”-“凝聚”-“固化”方法，但是该方法不能保证材料的形状。

科技工作者想出来一种简单的制作方法：1）将石墨烯粉末、碳纳米管与去离子水配成一定浓度的水溶液；超声震荡均匀；2）在较高温度下制备出石墨烯有机水凝胶；3）将石墨烯有机水凝胶放入氨水中浸泡；4）低温低压干燥。这样就得到了较高弹性的石墨烯气凝胶。

该方法简单宜行。只要改变容器，就可以获得任意形状的“碳海绵”，可以大规模制造。

石墨烯气凝胶有很高的弹性，被压缩80%后仍可恢复原状，密度仅为空气的1/6。它除了气凝胶特点，比表面积特别大、比重轻之外，还具有碳质和石墨烯质地的特性。于是会带来众多的应用。

石墨烯气凝胶对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是迄今已报道的吸油力最高的材料。而且只吸油不吸水。如果把它们撒在海面上，它能把漏油迅速地吸收进来，再压挤出油份，材料又可以回收利用。每1克石墨烯气凝胶能吸收900克的汽油，是处理海洋污染的吸油神器。

石墨烯气凝胶，可作为新型的气体过滤材料，液体过滤材料。

石墨烯气凝胶，用它做电解水的电极、电解制烧碱的电极，做氢燃料电池的电极，效果肯定很好。

石墨烯气凝胶做超级电容的效果一定很好。

石墨烯气凝胶作为碳质的催化剂材料一定非常好。

石墨烯气凝胶中如果充入适当的电解液，一定可以制成新型可充电电池，它一定具有储电容量大、内阻小、重量轻、充放电能快速、可多次重复使用等优异特性。

石墨烯气凝胶做成薄层，从隔热角度可以做出御寒衣服；改进其耐冲击性能就可以做成防弹衣；一定会有好效果。

常规产品：气凝胶，防结露涂料，气凝胶电子隔热膜，气凝胶建筑保温涂料，气凝胶粉，气凝胶保温涂料，气凝胶隔热涂料，气凝胶涂料，气凝胶毡，超薄型防火涂料，气凝胶保温棉，气凝胶隔热材料，隔热保温涂料，隔热反射涂料等等。

应用案例

炉体保温

气凝胶保温材料可以广泛应用于蒸汽锅炉、高温熔融炉、高温煅烧炉、垃圾焚烧炉、马弗炉、导热油炉、石化厂分馏塔等等各种不同种类、不同温度点的炉体。综合来看这些炉体大都是存在保温层厚度太厚或保温后的表面温度及热损等方面达不到使用要求等问题。这些炉体大都使用硅酸铝棉、岩棉、玻璃棉等无机类保温材料，这些材料在500℃时导热系数大都已经高于0.15W/m·K。

 该领域面临的问题：

● 传统材料在高温条件下隔热性能差

● 保温层厚度大，导致锅炉体积庞大，而有效使用空间小

● 隔热层的致密性不够好，很难阻挡热气流

● 体积大，质量大的锅炉难以移动

● 很难为操作者提供较安全和较舒适的工作环境

采用气凝胶材料的优势：

● 气凝胶材料在高温下的隔热效果相对传统材料会更加明显，可大大减低热损失，500℃导热系数只有0.035 W/m·K

● 有效降低保温层厚度，从而扩大内部使用空间

● 无论气凝胶板还是气凝胶毡多层错缝使用后都可以起到很好的阻挡热气流的效果

● 采用气凝胶材料可以为锅炉的温控性大大提高

● 更好的改善锅炉周边环境的舒适与安全性

建筑保温

建筑内墙领域应用

       气凝胶隔热材料凭借极低的导热系数，有效切断建筑物与外界的传热途径。该材料具有热阻高、传热系数低、高效防火、大幅降低保温层厚度，使用寿命长等优点。该材料可以结合相关的应用方案应用在建筑内墙区域，而且该材料无机环保,是建筑保温应用很好的选择。

主要性能优势：

●无机组成为建筑物提供防火、保温双重保障

●A1级防火导热系数低至0.018 W/m·k，高温灼烧下不释放任何有害物质

●隔热保温性能优越，大幅降低取暖和制冷能耗

● 隔音性能好，有效阻隔外界噪音

● 材料整体憎水，施工方便，使用寿命长。

屋顶保温隔热

       在建筑物中约有15%~20%的热量是由屋顶散失，而屋顶也是使房屋内部升温的主要热源通道之一；故对楼顶面进行有效的保温隔热处理，避免冷凝结霜，营造一个温暖舒适的环境就显得尤为重要。同时，防止水汽对楼顶面的渗透、侵蚀也十分重要。

       气凝胶建筑用隔热型材凭借其优越的隔热性能，整体疏水，稳定的化学、物理性能以及柔韧性好，能满足修长及狭小空间隔热施工等特性在此领域突显了其实用性。

优势一览：

●极低的导热系数：隔热保温性能优越，大大降低了隔热层的厚度同时能满足（特别是太阳能屋顶等的）狭小空间的隔热

● 节能高效：降低取暖和制冷的能耗

● 耐火焰烧穿：提高房屋防火等级，延长有效逃生时间

● 整体疏水：增强楼面抗渗透能力，隔绝也太水，减少潮湿地气对楼地面的侵蚀

● 低密度，轻质量：减轻楼顶的自重，降低施工难度

● 操作方便：降低施工成本，同时能满足修长部位的施工要求

房屋地板隔热应用

       地板是房屋和地面直接接触的部分，室内与地面可以通过固体导热进行很好的热交换，同时地面的湿气也会渗透到室内，从而影响人们的正常生活。此外，置于地面的家具等物品给地下保温层施加了很大的压力，使得传统的材料隔热性能被大打折扣。同时，当发生水汽渗透到隔热层的情况时，不具备疏水性的传统材料吸潮后就成为细菌等滋生的温床。

       使用整体疏水性气凝胶建筑用隔热型材，抗压能力强，重压下隔热性能不衰退，同时增强防水层阻隔水汽通过的能力，尤其适合温湿暖气候地区使用，且隔热层不会滋生细菌。

优势一览：

● 持效保温：隔离地面凉气，有利于保持室内温度

● 长期防潮：隔绝地坪潮气，有益健康，保护地板，防止蠕变

● 无机组成：不滋生细菌 

●舒适踏感：踩踏地板有轻微的柔感，舒适自然；吸收重物落地冲击力，保护地板，减轻落物损伤

● 宁静隔音：隔绝地板震音，增强房间私密性

● 性能稳定：使用寿命长久

● 施工方便：置于防水层之上，外加覆盖层即可

钢套钢蒸汽管保温工程现状

1. 传统保温结构不合理、保温层厚度不规范、保温施工不到位。
2. 传统保温材料易变形、沉降、热稳定性差、破损率大，后期保温效果差，无法满足工艺及野蛮施工要求。
3. 传统保温材料使用寿命短，基本只有3～5年，到期需全部更换，提高了各方面的费用开支。
4. 传统保温材料保温效果差且下降明显，导致保温工程维护成本大幅度提升，设备运行费用及人工费用增加。
5. 传统保温材料一般不完全防水，容易吸水、吸潮导致管道易腐蚀受损，管壁变薄从而带来安全隐患。
 

气凝胶绝热毡与传统保温材料对比

主要优势

1. 气凝胶的特殊立体空间网络结构及其防水、抗压特性使其寿命可以长达15年以上，远高于传统保温材料使用寿命。
2. 独特的纳米空间三维网络结构提供了超凡的高温稳定性、保温性，隔热及防火性能恒定、持久。
3. 卓越的的保温隔热性能，独特的纳米级空间网络结构及孔洞能够有效阻止热量传递，是目前世界上导热系数很低的固体材料，仅为传统保温材料的1/3～1/5，大大降低了热损失。
4. 具有较好的柔性与抗拉、抗压强度，可抵抗户外野蛮施工，长期使用不沉降、不变形。避免了传统保温材料在长期高温或受到振动而产生变形堆积和保温性能急剧下降的现象。
5. 具备优异的整体疏水性能，同时又允许水蒸汽通过，不会因吸水、受潮导致腐蚀管道，确保隔热性、保温性能长期有效，是热蒸汽管道、石油化工管网保温材料的很好选择。
6. 绿色节能、环保、安全可靠，可以保证员工健康、避免环境污染，提高设备安全性。
7. 轻巧方便、易于施工、安装简易、节省运输、储存、施工及人工费用。

气凝胶毡蒸汽管与玻璃棉毡蒸汽管的热力计算

  1、基本参数
（1）管顶埋深为1.5m，埋深处土壤的温度为10℃，土壤的导热系数为1.7W/(m•k)；
（2）空气的导热系数为0.23 W/(m•k)；
（3）介质温度为300℃
（4）气凝胶毡垫的导热系数为：

（5）玻璃棉毡的导热系数为：

  2、计算结果

纺织品

随着人们对服装轻量化、隔热保温性能要 求的提高，越来越多的服装企业开始关注 气凝胶材料，气凝胶成为服装行业下一个 热点已经是必然趋势，气凝胶与纤维复合 是一个新的技术方向；

应用优势

A.添加气凝胶后，保温性能提升30-60%；

B.气凝胶纤维吸湿性好，排汗迅速，面料速干；

C.气凝胶面料着色能力强，且具有吸附异味功能；

动力电池

应用背景

A.动力电池的安全防护意义重大，在电池 碰撞异常起火瞬间，需要使用安全防护 材料保障乘客舱安全；

B.为了提高电池模组的安全性，避免电芯 间的热扩散，现有技术中往往会在电芯 之间设置隔热材料；

应用优势

A.耐火焰穿透，保障安全；

B.隔热优异，保证单个电池发生热失控时，不会 影响到相邻的电池；

应用部位

气凝胶预氧丝毡用于动力电池 电芯间防火隔热；

电池用气凝胶防火涂料 应用于新能源动力电池防火；

深冷绝热

应用背景

低温、超低温管道和储罐涉及到的温度大部分在-40至-192℃。在LNG工程及其他低温项目建设中，起储存和运输都需要进行特别的防“漏热”处理。目前，常用的深冷保冷材料主要有PUR/PIR，发泡玻璃，橡塑，改性酚醛泡沫等，这些材料较之于以往使用的珍珠岩材料来说，无论是在性能还是施工方面，都有了很大的改善。但是气凝胶保冷材料的出现，对于现有的深冷保冷体系更加是一个质的改变；

应用优势

A.气凝胶毡具有很低的导热系数，优异的保冷性能，使保冷层厚度大幅度的减少，并有效降低冷损失，为密集型管线排布设计提供了便利；

B.在超低温下的稳定性优异，即使再-200℃仍可长期保持良好的柔软性以及保冷性能，不易造成碎裂；

C.气凝胶材料在低温下的防水性能良好，能有效抑制结露水渗入金属管线表面，从而防止管线腐蚀；D.材料切割、施工方便、后期维护成本低

应用部位

A.气凝胶毡应用于LNG储运；

B.气凝胶蜂窝板应用于冷链物流的保温集装箱；

           仅作为学习参考，有待不断完善

2021,10,16 ，行者