一種新型絕熱材料在低溫儲運裝備上的應(yīng)用展望

王 坤

(南通中集罐式儲運設(shè)備制造有限公司，江蘇南通 226003)

1 引言

世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，極大促進了低溫工業(yè)氣體如LO2、LN2、LAR、LNG等的需求，同時也極大地促進了這些低溫介質(zhì)的運輸，由于低溫介質(zhì)的獲得需要耗費很多的能量，對于綠色環(huán)保節(jié)能的大需求，低溫運輸裝備的絕熱性能就變得非常重要。

2 低溫真空絕熱方式

低溫絕熱材料主要有纖維形狀、微孔形狀、層狀結(jié)構(gòu)以及納米微孔等結(jié)構(gòu)。目前典型的低溫運輸裝備如低溫罐箱、低溫罐車均采用較多的為高真空多層絕熱，保溫性能較好，表1列出了幾種典型的絕熱真空絕熱方式優(yōu)缺點:

由于目前真空絕熱中，具有的“難于對復(fù)雜形狀絕熱，存在平行方向的導(dǎo)熱，真空度要求高，絕熱材料本身有放氣”這些缺點，對于目前低溫儲運裝備領(lǐng)域的絕熱性能，真空度的維持都有一定的影響，需要尋找另一種更加好的低溫絕熱材料。氣凝膠作為一種優(yōu)秀的絕熱材料，成為研究方向。

3 氣凝膠及特性

工業(yè)和低溫應(yīng)用對隔熱材料提出了諸多要求。必須易于應(yīng)用，在寬溫度范圍內(nèi)提供出色的絕熱性能，并且在惡劣的環(huán)境條件下不隨時間而劣化。

氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結(jié)構(gòu)成納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的一種高分散輕質(zhì)固體材料，因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”(如圖1所示)，作為世界上最輕的固體，其99%的組成成分是氣體，這使得氣凝膠呈云霧狀，外觀看起來像云一樣。

表1 幾種典型的真空絕熱方式優(yōu)缺點

圖1 云霧狀的氣凝膠

被稱為“改變世界的神奇材料”的氣凝膠，是世界上最輕的固體材料之一。最常見的氣凝膠為SiO2氣凝膠。SiO2氣凝膠是一種防熱隔熱性能非常優(yōu)秀的輕質(zhì)納米多孔非晶固體材料，其孔隙率高達80% ～99.8%，孔洞的典型尺寸為1～100 nm，比表面積為200～1 000 m2/g，而密度可低至3 kg/m3，比空氣重三倍。具體氣凝膠用于低溫儲運裝備上的一些優(yōu)異性能。

3.1 高隔熱性

由于氣凝膠中大量細小氣孔的尺寸處于納米級，小于空氣分子70 mm的平均自由程，所以氣凝膠復(fù)合材料具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，可達到0.013～0.016 W/(m·K)，低于靜態(tài)空氣0.024 W/(m·K)的熱導(dǎo)系數(shù)，由于氣凝膠的導(dǎo)熱性是傳統(tǒng)材料(例如聚氨酯泡沫、礦棉、珍珠巖和泡沫玻璃)的1/2～1/4，因此，可在同樣的厚度和明顯減少的隔熱用料下提供更高的熱效率，比相應(yīng)的無機絕緣材料低2～3個數(shù)量級。高溫下不分解，無有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料。SiO2氣凝膠與各種耐熱纖維復(fù)合后，可制成各種形式的保溫材料。

美國的Science雜志把氣凝膠列為十大熱門科學(xué)之一。雖然，氣凝膠的主要成分是空氣，但其具有優(yōu)異的絕熱性能，用噴槍在一層薄薄的氣凝膠下加熱都不能使氣凝膠上面的火柴點燃。一塊2.54 cm厚的氣凝膠就擁有每兩層間具有氣室的15塊玻璃板疊層的絕熱能力。

3.2 耐久性

由無定形無機二氧化硅制成，不含像聚氨酯泡沫一樣會隨時間降解的發(fā)泡劑，因此氣凝膠的性能持久而穩(wěn)定。其彈性機械性能使其可容易地適應(yīng)機械運動和振動，而不會像珍珠巖般沉降。卡博特氣凝膠是完全疏水的，不像許多隔熱材料會吸收水分。

3.3 易用性

氣凝膠的柔韌性特別好，非常易于為不同形狀的絕熱結(jié)構(gòu)提供定制的產(chǎn)品，如顆粒狀(如圖2所示)，片狀(如圖3所示)，被子狀等。其中顆粒尤其適用于松散填充應(yīng)用，甚至可填充復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)(如雙壁罐)中以及配件和閥門周圍的小空穴，片狀適合于在現(xiàn)場切割、收卷和成形，并以最少的產(chǎn)塵用于安裝到管道、儲罐和其他設(shè)備上，被狀則可以為管道系統(tǒng)中的快速安裝而設(shè)計。此外氣凝膠的折射率、聲阻抗都很低，吸附性能極其優(yōu)良;正是由于這些特點使氣凝膠材料在熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、微電子、粒子探測方面有很廣闊的應(yīng)用潛力和前景。重點關(guān)注其在低溫隔熱上的應(yīng)用。

4 氣凝膠缺點及優(yōu)化改進

雖然超輕氣凝膠有很多優(yōu)點，也具有一些缺點，如強度低，韌性差，它不能作為單獨的材料用于保溫工程，因此需要采用各種辦法對氣凝膠進行處理，增強和增韌。如采用玻璃纖維、巖棉、硅酸鋁纖維等作為增強材料。通過特殊工藝處理，增強而增韌后的氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)仍然特別低。

圖2 顆粒狀氣凝膠

5 氣凝膠的絕熱原理

圖3 片狀氣凝膠

針對低溫材料的漏熱主要有三種方式:熱傳導(dǎo)、對流和輻射。氣凝膠超級絕熱材料的特性決定了上述的三種漏熱非常低，從而實現(xiàn)良好的保溫效果。

對于熱對流漏熱，空氣分子的平均自由程為70 nm左右，而氣凝膠中孔隙的平均直徑僅為40～60 nm，空氣幾乎無法在氣凝膠孔隙中流動，這樣就極大地抑制了空氣的對流導(dǎo)熱，這是其他的絕熱材料無法比擬的。

對于熱傳導(dǎo)漏熱，作為絕熱材料的導(dǎo)熱損失，主要和材料本身固有的導(dǎo)熱系數(shù)，以及材料的密度有關(guān)。氣凝膠作為密度最低的絕熱材料，以及其最高達98%的多孔率，也決定了其自身的導(dǎo)熱損失已接近極低。

對于熱輻射漏熱，由于大量微孔的存在，氣凝膠具有無限多的孔壁，形成輻射的反射面和折射面，很好地阻隔了輻射漏熱，同時由于氣凝膠的熱輻射屬于3～5 um區(qū)域的紅外熱輻射，對于紅外光具有較好的遮蔽作用，所以其輻射漏熱很低，同時還可以在氣凝膠中加入一些納米級的反輻射物質(zhì)，對輻射漏熱有很好的反射/吸收作用，這樣就可以更好抑制氣凝膠的輻射漏熱。

6 氣凝膠研發(fā)狀況

圖4 全球氣凝膠生產(chǎn)區(qū)域分布

1931年，氣凝膠誕生于美國。目前來看，氣凝膠全球重點發(fā)展區(qū)域主要集中在美國、德國、英國如圖4所示，其中，依托于強大的技術(shù)開發(fā)實力和新產(chǎn)品開發(fā)力度，美國的應(yīng)用領(lǐng)域尤為突出，在高性能氣凝膠應(yīng)用方面，美國已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、新能源、建筑以及高級體育用品等方面。我國在氣凝膠研究和開發(fā)方面屬早期階段，主要集中在附加值較高的航空航天、醫(yī)藥等方面，眾多領(lǐng)域仍屬空白。

國外氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)主要集中在歐美地區(qū)和日本。美國從事氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)在10多家左右，主要有Aspan公司、CABOT公司和ThermaBlok公司，三家公司產(chǎn)量在美國國內(nèi)占據(jù)65%以上份額，此外新罕布什爾州Kalwall建筑材料公司在氣凝膠下游產(chǎn)品開發(fā)中亦頗具實力。德國與俄羅斯在氣凝膠研發(fā)與生產(chǎn)方面后起直追，氣凝膠產(chǎn)量總體呈上升趨勢。下面重點介紹2家美國研發(fā)企業(yè)。

6.1 ASPEN氣凝膠公司

阿斯彭氣凝膠公司是美國航空航天管理局下屬的一家公司，該公司一直致力于把氣凝膠推向市場。

阿斯彭氣凝膠公司(Aspen Aerogels)目前主要業(yè)務(wù)是應(yīng)用氣凝膠制造工業(yè)用隔熱材料，這家企業(yè)已經(jīng)開始銷售充氣氣凝膠墊，這種氣凝膠墊能夠讓現(xiàn)有的建筑更節(jié)能。在英國和美國部分地區(qū)，阿斯彭氣凝膠公司已經(jīng)安裝了這種材料，包括2008年在美國羅德島的建筑項目。

氣凝膠由抽取了液態(tài)物質(zhì)的凝膠制成，其中有90%以上的物質(zhì)為空氣。氣凝膠具有的納米多孔結(jié)構(gòu)使得熱量很難穿透其中。這樣一來，氣凝膠是一種很好的輕質(zhì)隔熱材料。出于成本考慮，阿斯彭氣凝膠公司過去主要將這種材料的發(fā)展重點放在高端工業(yè)應(yīng)用項目上，比如隔熱油與天然氣管道應(yīng)用，甚至火星飛船上。

現(xiàn)在，阿斯彭氣凝膠公司開始提供超薄氣凝膠墊，它可以替代傳統(tǒng)的玻璃纖維，泡沫材料以及纖維隔熱材料。阿斯彭氣凝膠公司現(xiàn)在所開發(fā)設(shè)計生產(chǎn)的氣凝膠的前期成本仍然比較高，但這種材料的成本已經(jīng)降到一個民用可以承擔(dān)的價格點，尤其適合用于磚石或拱形墻的建造。

早在2008年阿斯彭氣凝膠公司在北美開設(shè)了第二家生產(chǎn)廠，未來阿斯彭氣凝膠公司完全有能力，有成本優(yōu)勢進軍傳統(tǒng)的建筑隔熱市場。

2009年1月16日阿斯彭氣凝膠公司和三星美國公司簽署了一份合作銷售協(xié)議。協(xié)議規(guī)定，三星將在美國和歐洲推廣和銷售阿斯彭氣凝膠隔熱產(chǎn)品給集中太陽能熱產(chǎn)業(yè)。

三星公司將銷售高性能的阿斯彭氣凝膠隔熱產(chǎn)品，以在能源市場中建立不斷增長的銷售份額。這種戰(zhàn)略聯(lián)盟將有助于兩個公司的穩(wěn)步成長，并使三星公司擴大其在可替代能源市場中的銷售范圍。

6.2 CABOT 公司

有120年歷史的美國卡博特公司，是一家專業(yè)生產(chǎn)特殊化工產(chǎn)品和特種化工材料的全球性跨國公司，在世界五大洲23個國家有39家生產(chǎn)企業(yè)，其經(jīng)營范圍包括炭黑、氣相白炭黑、噴墨顏料、微電子材料、納米膠、塑料色母粒以及特殊流體等。全球雇員約4 200名，在美國有多個研究中心及實驗工廠，其生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品品種和質(zhì)量均居于世界領(lǐng)先水平。在美國公司年度排名中(只考慮財務(wù)狀況)，卡博特公司位列797名;在由CIO雜志評出的美國“前100家企業(yè)”中卡博特因為公司在整合和系統(tǒng)規(guī)范化的突出表現(xiàn)而入選。

20世紀90年代，CABOT公司成為第一家使用專利技術(shù)將氣凝膠生產(chǎn)過程商業(yè)化，并在室溫條件下生產(chǎn)出氣凝膠的公司。

目前，CABOT建筑用氣凝膠材料已經(jīng)有了一定的研究和應(yīng)用。主要有氣凝膠節(jié)能窗、氣凝膠涂料、氣凝膠新型板材和屋面太陽能集熱器等，依托公司強大的技術(shù)研發(fā)實力，Cabot公司在未來完全有可能在氣凝膠新產(chǎn)品開發(fā)上取得進一步的突破。

在海洋工程方面，CABOT公司正在與包括工程服務(wù)公司、管道預(yù)制廠和海工建設(shè)EP總包商在內(nèi)的多家公司展開合作，分別研制出了Nanogel，ExpansionPac，NanogelCompessionPack等多種新型系列產(chǎn)品，以將其掌握的氣凝膠生產(chǎn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于原油管線、LNG管線、LNG船和儲油輪的工程設(shè)計中。預(yù)計第一個氣凝膠管道系統(tǒng)將于近期順利完工。

7 氣凝膠產(chǎn)品在低溫絕熱上的應(yīng)用

7.1 太空服

氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里。Aspen Aerogel公司的一位資深科學(xué)家馬克·克拉耶夫斯基認為，一層18 mm的氣凝膠將足以保護宇航員抵御－130℃的低溫，可見他是最棒的絕熱材料。

7.2 航天器放熱瓦，燃料箱隔熱層

飛機上記錄飛行狀況數(shù)據(jù)的黑匣子已用新型氣凝膠產(chǎn)品作為隔熱層，美國美洲豹戰(zhàn)斗機的機艙隔熱層采用的也是該材料，美國NASA在火星流浪者的設(shè)計中，也用過SiO2氣凝膠材料作為保溫層，用來抵擋火星夜晚－100℃以下的超低溫。美國NASA Ames研究中心研發(fā)的硅酸鋁耐火纖維/SiO2氣凝膠復(fù)合絕熱瓦已用于航天飛機，俄羅斯的“和平號”空間站也采用了SiO2氣凝膠作為隔熱保溫材料。

7.3 LNG海底低溫管道

由于LNG海底低溫管道的特殊性，目前更多的意見是傾向于采用氣凝膠材料絕熱層和9%鎳鋼降低了內(nèi)層管壁。這種材料的絕熱性能遠高于傳統(tǒng)絕熱材料，因此達到要求的絕熱性能所需要的材料用量較少，相應(yīng)降低了絕熱層的厚度和外層管壁的直徑，降低了管道成本。這種材料具有防水的特性，不會因為水分的降解而降低絕熱性能，但是這種材料價格較高。

7.4 LNG 船

美國的卡博特公司(Cabot)正在研究，利用氣凝膠來建造LNG船，而對于LNG船的氣體儲藏庫來說，如果能夠使用氣凝膠，那么不但具有很好的絕熱效果，同時也能大量縮減儲藏庫的體積。

8 展望

總體來說，氣凝膠具有質(zhì)量輕、低絕熱性、防水性，易于成型等特色已經(jīng)成為低溫絕熱領(lǐng)域的一個新的熱點，在軍用低溫領(lǐng)域已經(jīng)獲得了成功的使用，目前在民用領(lǐng)域也在越來越重視其應(yīng)用研究，降低制備成本，優(yōu)化超臨界干燥工藝，制造高品質(zhì)氣凝膠等都成為今后各國科學(xué)家共同努力突破的關(guān)鍵。

期待氣凝膠能在低溫罐箱、低溫儲罐、低溫罐車的真空絕熱材料選擇上取代目前使用的多層絕熱材料，獲得廣泛的應(yīng)用并提升低溫裝備的性能。

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