我國(guó)氣凝膠材料研究與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

余偉業(yè)

1931年，Steven.S.Kistler在《自然》雜志上發(fā)表了題為《共聚擴(kuò)散氣凝膠與果凍》（Coherent expanded aerogels and jellies）的論文，業(yè)界以此作為氣凝膠誕生的標(biāo)志。氣凝膠已經(jīng)歷3次產(chǎn)業(yè)化浪潮，當(dāng)前正處于以我國(guó)企業(yè)為主導(dǎo)的新一輪產(chǎn)業(yè)化浪潮中。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國(guó)氣凝膠企業(yè)成功開拓了工業(yè)設(shè)備管道節(jié)能、新能源汽車安全防護(hù)、軌交車廂及船體防火隔熱保溫的應(yīng)用市場(chǎng)，氣凝膠市場(chǎng)日益成熟。

作為當(dāng)前氣凝膠材料新一輪產(chǎn)業(yè)化的主陣地，我國(guó)氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模龐大。公開資料顯示，2019年全球二氧化硅（SiO2）氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模達(dá)22億元，而我國(guó)占比超過50%。從應(yīng)用領(lǐng)域上看，能化領(lǐng)域是氣凝膠材料的主要應(yīng)用市場(chǎng)，2019年氣凝膠下游應(yīng)用中，能化領(lǐng)域市場(chǎng)占比達(dá)到82%；建筑材料領(lǐng)域雖然在當(dāng)前氣凝膠下游應(yīng)用市場(chǎng)占比不高，但建材市場(chǎng)空間廣闊，有望成為氣凝膠的第2大應(yīng)用場(chǎng)景；由于氣凝膠制成的隔熱片可以有效防止鋰離子動(dòng)力電池箱中某塊電池單體過熱造成的連鎖效應(yīng)，解決三元鋰電池的安全痛點(diǎn)，新能源交通工具或?qū)⒊蔀闅饽z在交通領(lǐng)域的主要增長(zhǎng)引擎[1-3]。

本文先從分類及應(yīng)用的角度對(duì)氣凝膠當(dāng)前產(chǎn)品形式作簡(jiǎn)要介紹，再利用專利分析對(duì)我國(guó)當(dāng)前氣凝膠研發(fā)態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析。最后基于網(wǎng)絡(luò)調(diào)研和專利解讀，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)氣凝膠領(lǐng)域重點(diǎn)企業(yè)的產(chǎn)品、專利布局進(jìn)行分析，以說明當(dāng)前我國(guó)氣凝膠產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 氣凝膠材料的分類及應(yīng)用

從應(yīng)用產(chǎn)品形式分類，氣凝膠主要可以分為氣凝膠氈、氣凝膠板、氣凝膠顆粒和氣凝膠涂料。

1.1 氣凝膠氈

目前，氣凝膠氈類產(chǎn)品主要是以納米級(jí)SiO2氣凝膠為主，通過一定工藝與碳纖維或玻璃纖維棉或預(yù)氧化纖維氈復(fù)合而成的柔性保溫氈。氣凝膠氈的主要特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱效果是傳統(tǒng)隔熱材料2～5倍，能夠有效降低保溫層厚度；其次，氣凝膠氈相對(duì)憎水，可有效防止水分進(jìn)入管道或設(shè)備內(nèi)部；此外，氣凝膠氈質(zhì)輕、易剪裁等特點(diǎn)大大降低了運(yùn)輸、安裝和使用成本。因此，氣凝膠氈被廣泛用于工業(yè)管道、工業(yè)爐體、電廠、軍艦艙壁、動(dòng)車等領(lǐng)域[4]。

1.2 氣凝膠板

氣凝膠板是氣凝膠與其他材料復(fù)合制成的板材，與氣凝膠氈的主要差異在于其不是在溶膠階段與纖維材料復(fù)合，是以氣凝膠材料或氣凝膠材料為主的復(fù)合材料作為芯材，再與纖維、顆粒、砂漿、金屬、有機(jī)聚合物等材料經(jīng)過后期二次成型制得的剛性板材，可用于建筑、機(jī)器、設(shè)備等領(lǐng)域，最大程度地滿足不同客戶對(duì)保溫層厚度、耐溫及強(qiáng)度的要求。

1.3 氣凝膠顆粒

目前的氣凝膠顆粒產(chǎn)品主要是多孔、輕質(zhì)且疏水的無定形SiO2氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒的制備方法成熟，一般是通過常壓干燥成型的方法直接制備氣凝膠粉體材料，或者先利用超臨界方法制備大塊氣凝膠，然后通過不同破碎方法，得到不同粒徑氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒兼具高內(nèi)部容量與超高疏水性的特點(diǎn)，正日益在多種應(yīng)用場(chǎng)景中得到運(yùn)用，例如有機(jī)過濾和固存、填充聚合物補(bǔ)強(qiáng)、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中的油脂吸收、觸變性/流變性改性等。但是，因粉體材料不易成型，SiO2氣凝膠粉末顆粒一般不單獨(dú)作為隔熱保溫材料使用，常見的用途是作為涂料添加劑或采光玻璃中的填充層。

1.4 氣凝膠涂料

目前，氣凝膠涂料產(chǎn)品主要是以自交聯(lián)丙烯酸乳液為成膜物，以SiO2氣凝膠、空心玻璃微珠、六鈦酸鉀晶須等為填料，在多種助劑的配合下制備而成。氣凝膠涂料具有薄層噴涂施工、納米孔絕熱、安全防火、環(huán)保節(jié)能、性價(jià)比高，無脫落風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，氣凝膠涂料主要應(yīng)用領(lǐng)域是建筑保溫隔熱，用于管道彎頭、閥門、接頭接縫等異型管道及設(shè)備保溫的填縫、粘結(jié)及修補(bǔ)。隨著產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)，除SiO2氣凝膠之外，陶瓷類氣凝膠、石墨烯氣凝膠等其他類型的氣凝膠粉體也逐步應(yīng)用到氣凝膠涂料中，以改善目前SiO2氣凝膠涂料在耐熱、強(qiáng)度方面的不足[5，6]。

2 氣凝膠材料專利現(xiàn)狀分析

對(duì)氣凝膠材料相關(guān)專利進(jìn)行分析，從專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、申請(qǐng)人類型、研究熱點(diǎn)等角度了解當(dāng)前氣凝膠材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。在Incopat專利檢索平臺(tái)對(duì)相關(guān)專利進(jìn)行檢索，共檢索到專利4 923條（圖1）。

從圖1可見，近10年我國(guó)氣凝膠在領(lǐng)域的研究熱度持續(xù)攀升，專利申請(qǐng)量從2011年的57件上升到2018年的908件（2019、2020年專利未完全公開）。我國(guó)專利申請(qǐng)中，大部分為發(fā)明專利，占比達(dá)88.7%，其次是實(shí)用新型專利，占比為11.1%，外觀設(shè)計(jì)專利較少，僅占0.2%（見圖2）。

對(duì)圖2的發(fā)明專利情況做進(jìn)一步分析可知，發(fā)明專利授權(quán)率和有效率較高，分別為64.07%和87.13%，表明本領(lǐng)域的專利質(zhì)量較高；相較之下，氣凝膠領(lǐng)域發(fā)明專利的轉(zhuǎn)讓率略低，為12.94%，這或許是因?yàn)槠髽I(yè)作為申請(qǐng)人的發(fā)明專利占比較高。圖3對(duì)我國(guó)氣凝膠領(lǐng)域?qū)＠纳暾?qǐng)人類型進(jìn)行了分析，有44%的專利申請(qǐng)來自于企業(yè)，其次是大專院校、科研機(jī)構(gòu)和個(gè)人，分別占39%、9%和7%，同樣說明了企業(yè)在氣凝膠材料領(lǐng)域研發(fā)與應(yīng)用的主體地位（見圖3）。

為分析當(dāng)前氣凝膠領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，利用INCOPAT平臺(tái)聚類分析，對(duì)專利關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析并對(duì)平臺(tái)給出結(jié)果進(jìn)一步篩選優(yōu)化，結(jié)果如表1所示。

從聚類結(jié)果上看，氣凝膠領(lǐng)域的專利研究主題主要集中在材料，炭氣凝膠、氧化硅氣凝膠、納米纖維素、復(fù)合材料等，表明當(dāng)前SiO2氣凝膠、炭氣凝膠仍是當(dāng)前應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，而復(fù)合是氣凝膠材料的改善性能的主流方向；在產(chǎn)品方面，保溫玻璃、氣凝膠粉體、氣凝膠氈等產(chǎn)品專利較多，值得一提的是，氣凝膠在鋰離子動(dòng)力蓄電池應(yīng)用方面也有一定專利，表明鋰離子電池隔熱片或許是氣凝膠應(yīng)用的重點(diǎn)方向；在制備方法上，專利研究主要集中在超臨界法、射頻輻射和常壓干燥。

3 國(guó)內(nèi)氣凝膠材料主要企業(yè)分析

3.1 主要企業(yè)概況

國(guó)內(nèi)氣凝膠領(lǐng)域主要企業(yè)目前包括廣東埃力生高新科技有限公司、納諾科技有限公司、愛彼愛和新材料有限公司、江蘇安珈新材料科技有限公司等。

3.1.1 廣東埃力生高新科技有限公司

廣東埃力生高新科技有限公司于2007年落戶廣東省英德市，是國(guó)內(nèi)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)氣凝膠絕熱材料的領(lǐng)軍企業(yè)，其開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)完整、連續(xù)的氣凝膠隔熱材料大型產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，具備大型工業(yè)化生產(chǎn)氣凝膠及氣凝膠復(fù)合隔熱材料能力，現(xiàn)已發(fā)展成為國(guó)內(nèi)第1家、全球第2大能規(guī)模化生產(chǎn)氣凝膠材料的領(lǐng)軍企業(yè)，年產(chǎn)能達(dá)到50 000m3/年。其主要產(chǎn)品包括氣凝膠顆粒、氣凝膠氈以及氣凝膠板等3大系列產(chǎn)品。在研發(fā)方面，廣東埃力生高新科技有限公司擁有長(zhǎng)期穩(wěn)定的核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)，具有豐富的氣凝膠產(chǎn)品研發(fā)和項(xiàng)目開展經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，積極開展與高校的產(chǎn)學(xué)研合作，并設(shè)立專家顧問團(tuán)隊(duì)。

3.1.2 愛彼愛和新材料有限公司

愛彼愛和新材料有限公司于2015年3月正式注冊(cè)成立，廠區(qū)位于滄州臨港工業(yè)園區(qū)，是我國(guó)早期介入氣凝膠工業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)之一。公司業(yè)務(wù)涵蓋氣凝膠及氣凝膠復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，并可提供基于氣凝膠材料的防火、絕熱和節(jié)能綜合解決方案。2017年初，愛彼愛和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球單條產(chǎn)能最大的氣凝膠生產(chǎn)線調(diào)試、運(yùn)行成功。該生產(chǎn)線二期建設(shè)完成后，愛彼愛和將具備30 000m3/年的氣凝膠材料生產(chǎn)能力。在研發(fā)方面，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)由3名博士生導(dǎo)師、教授帶領(lǐng)，核心成員曾承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家863和973技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。研發(fā)部分主要分為材料研發(fā)中心和化學(xué)研究中心，中心實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)面積達(dá)4700㎡，配備有小型二氧化碳（CO2）超臨界實(shí)驗(yàn)裝置、智能型干法粒度儀、氣相色譜有機(jī)揮發(fā)有害物（TVOC）檢測(cè)儀、材料熱分析儀、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀、建材不燃性試驗(yàn)爐、氣相色譜、液相色譜及卡爾費(fèi)休水分測(cè)定儀等。公司先后與美國(guó)波士頓大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)以及北京理工大學(xué)等共建了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和課題組。

3.3.3 納諾科技有限公司

納諾科技有限公司成立于2004年4月，坐落于浙江省紹興市，公司業(yè)務(wù)涵蓋氣凝膠及其復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售于一體的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。2011年建成年產(chǎn)300萬m2氣凝膠全自動(dòng)化生產(chǎn)線，是國(guó)內(nèi)從事早、規(guī)模大、實(shí)力強(qiáng)的SiO2納米孔超級(jí)隔熱材料研發(fā)與制造基地。目前，納諾科技有限公司已形成軌道交通、公共節(jié)能、石油化工、裝備配套、海外營(yíng)銷五大行業(yè)為依托的市場(chǎng)布局，同時(shí)以華北、華東、西北設(shè)立的分支機(jī)構(gòu)輻射全國(guó)，海內(nèi)外業(yè)務(wù)遍及50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。在研發(fā)方面，納諾科技有限公司擁有一支由知名專家、教授、博士等組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，專業(yè)技術(shù)人員占公司員工的30%以上。公司建有省級(jí)企業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，先后承擔(dān)了國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家重大科技專項(xiàng)課題、省重大科技專項(xiàng)重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目。

3.1.4 江蘇安珈新材料科技有限公司

江蘇安珈新材料科技有限公司是南京工業(yè)大學(xué)學(xué)科型公司，專業(yè)從事氣凝膠絕熱材料產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、成套設(shè)備、技術(shù)服務(wù)和銷售的企業(yè)。該公司將投資約2億元，建成年產(chǎn)20 000m3/年的氣凝膠絕熱材料生產(chǎn)線。在研發(fā)方面，技術(shù)力量主要依托南京工業(yè)大學(xué)沈曉冬教授團(tuán)隊(duì)，先后承擔(dān)了國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等省部級(jí)項(xiàng)目30余項(xiàng)。

3.2 主要企業(yè)產(chǎn)品分析

基于公開資料整理，對(duì)上述幾個(gè)主要企業(yè)的產(chǎn)品與服務(wù)進(jìn)行分析（見表2），可見產(chǎn)品多為卷材（絕熱氈）、氣凝膠顆粒、氣凝膠板、涂料等，主要集中在產(chǎn)業(yè)鏈的上游，少數(shù)有保溫套、柔性毯、面料等產(chǎn)業(yè)鏈中下游產(chǎn)品。

3.3 主要企業(yè)專利技術(shù)分布

對(duì)上述企業(yè)作為專利權(quán)人的有效專利關(guān)鍵詞按照材料、產(chǎn)品、方法、設(shè)備、性能等領(lǐng)域分類，結(jié)果如表3所示。在材料方面，主要集中在SiO2及其改性或纖維復(fù)合材料；在產(chǎn)品專利方面，主要集中在板材、卷材、涂料等上游產(chǎn)品或者手套、保溫箱、保溫杯等日用品，值得關(guān)注的是，愛彼愛和新材料有限公司、納諾科技有限公司均在鋰離子電池隔熱方面有專利部署；在制備方法上，多數(shù)專利使用超臨界法，愛彼愛和新材料有限公司在常壓干燥上有專利部署；在性能上，相關(guān)企業(yè)的專利主要研究氣凝膠的隔熱性能；此外，在氣凝膠的傳送、預(yù)處理、剪裁等設(shè)備上有一定的專利部署。

4 結(jié)論

整體來看，我國(guó)的氣凝膠產(chǎn)業(yè)起步基本與國(guó)際同步，且發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，年產(chǎn)量、消費(fèi)量增速快，產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)張迅速。雖然當(dāng)前產(chǎn)品主要集中在工業(yè)管道保溫領(lǐng)域，但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，建筑和新能源汽車領(lǐng)域市場(chǎng)逐漸打開，未來市場(chǎng)前景廣闊。

近10年，我國(guó)氣凝膠領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量增長(zhǎng)迅速，反映我國(guó)氣凝膠領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱度持續(xù)攀升，而企業(yè)是當(dāng)前專利申請(qǐng)的主要力量，表明我國(guó)氣凝膠材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中企業(yè)占主導(dǎo)地位。此外，氣凝膠領(lǐng)域的專利整體質(zhì)量較高。從氣凝膠專利的主題詞聚類結(jié)果來看，材料是關(guān)注的熱點(diǎn)，當(dāng)前主要集中在SiO2氣凝膠，其中纖維復(fù)合改性是研究較多的方法；產(chǎn)品的專利申請(qǐng)主要圍繞氣凝膠氈、氣凝膠板等傳統(tǒng)產(chǎn)品，而鋰離子動(dòng)力蓄電池也成為了關(guān)注的熱點(diǎn)。

我國(guó)主要企業(yè)的產(chǎn)品主要集中在氣凝膠顆粒、氣凝膠氈、氣凝膠板等相對(duì)接近原材料的產(chǎn)品，缺乏下游成型產(chǎn)品或配套服務(wù)，產(chǎn)業(yè)鏈有待進(jìn)一步延伸。從企業(yè)專利布局來看，多為實(shí)用新型專利，主要集中在產(chǎn)品或設(shè)備。發(fā)明專利則在材料、制備方法上的比較集中，分別關(guān)注SiO2氣凝膠以及超臨界法。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.006

致謝：本文獲得“廣東科技信息資源與技術(shù)情報(bào)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)（1819180010）”的支持。

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