氣凝膠材料及其應(yīng)用

王 亮 山西宏廈建筑工程第三有限公司

1 前言

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(kāi)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(guò)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鏗離子動(dòng)力電池箱中某塊電池單體過(guò)熱造成的連鎖效應(yīng)，解決三元鏗電池的安全痛點(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。

2 氣凝膠功能性研究

CNK工文獻(xiàn)現(xiàn)有研究顯示，氣凝膠材料的特殊功能。包含但不局限于熱效應(yīng)、光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、介電效應(yīng)、磁效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)、高化學(xué)性和表面活性等。雖然氣凝膠材料具有較多功能性，但目前研究主要集中在熱效應(yīng)應(yīng)用方面以及充分利用其絕熱性、表面活性和高化學(xué)性的催化領(lǐng)域應(yīng)用方面。

目前氣凝膠的研究，主要集中在氣凝膠材料催化、絕熱、生物醫(yī)藥3個(gè)方面。同時(shí)，數(shù)據(jù)顯示在絕熱研究方向已經(jīng)建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明氣凝膠材料在絕熱研究方面已經(jīng)趨于工業(yè)化。在生物醫(yī)藥方面文獻(xiàn)數(shù)量，顯示了氣凝膠材料在生物醫(yī)藥方面存在巨大的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)。另外，科研工作者正逐步開(kāi)發(fā)氣凝膠材料的其他特性應(yīng)用。

如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授課題組以殼聚糖作三維軟模板，研發(fā)了一種酚醛樹(shù)脂（PFR）與二氧化硅（SiO2）共聚和納米尺度相分離的合成新策略，成功研制了具有雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PFR/SiO2復(fù)合氣凝膠材料。該復(fù)合氣凝膠纖維的尺寸在20nm以?xún)?nèi)，具有雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的樹(shù)枝狀的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，且兩種組分各自都成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)、無(wú)機(jī)組分在納米尺度上的均勻分散，并且兩組分間具有很強(qiáng)的界面相互作用。研究人員通過(guò)調(diào)控硅源的添加量，調(diào)控復(fù)合氣凝膠的密度、無(wú)機(jī)含量、力學(xué)強(qiáng)度等物理參數(shù)。

經(jīng)研究，這種復(fù)合氣凝膠材料可以承受60%的壓縮而不破裂，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和可加工性。該復(fù)合氣凝膠具有良好的隔熱效果，最低熱導(dǎo)率可達(dá)24mW/(m·K)，在相對(duì)低溫和低濕度的環(huán)境下，其熱導(dǎo)率維持在28mW/(m·K)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)泡聚苯乙烯等材料。同時(shí)，這種材料在防火方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，可以避免在發(fā)生火災(zāi)時(shí)建筑物承力結(jié)構(gòu)的失效，為人員撤離爭(zhēng)取了時(shí)間。

3 氣凝膠材料細(xì)分領(lǐng)域的研究

氣凝膠材料按照有機(jī)無(wú)機(jī)分類(lèi)可分為有機(jī)氣凝膠和無(wú)機(jī)氣凝膠，按照材料中的主要成分又有SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠等。對(duì)于細(xì)分領(lǐng)域的研究狀況，抽取了關(guān)注度較高的SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠和有機(jī)氣凝膠（大類(lèi)）進(jìn)行分析。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，除目前已開(kāi)始逐步工業(yè)化的SiO2氣凝膠材料研究比較火熱外，石墨烯氣凝膠材料的研究也異?；鸨?。無(wú)論在學(xué)術(shù)期刊還是在學(xué)位專(zhuān)業(yè)選修方面都引起科學(xué)工作者的高度關(guān)注，并投入了大量精力。石墨烯氣凝膠材料引起科學(xué)工作者高度關(guān)注的主要原因是，石墨烯本身是一種關(guān)注度極高的新材料，而氣凝膠新材料又被譽(yù)為21世紀(jì)超級(jí)新材，強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合必然會(huì)提升石墨烯氣凝膠材料所特有性能及其未來(lái)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。雖然目前還沒(méi)有石墨烯氣凝膠材料工業(yè)化生產(chǎn)案例，但預(yù)計(jì)未來(lái)可能會(huì)占據(jù)主導(dǎo)市場(chǎng)。

通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)分析，石墨烯氣凝與不同新材料復(fù)合，開(kāi)發(fā)并優(yōu)化材料特性的思路，開(kāi)拓了氣凝膠材料研究的新篇章。

石墨烯氣凝膠作為相變儲(chǔ)能骨架材料。在這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，石墨烯氣凝膠中的石墨烯片層上均勻地鍍上了銅層，且不同片層之間被銅鍍層所連接。這種銅鍍層不但增強(qiáng)石墨烯氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并賦予復(fù)合材料良好的導(dǎo)熱性和骨架穩(wěn)定性，有利于增強(qiáng)相變換熱和抑制相變過(guò)程中的泄漏。此外，通過(guò)真空浸漬法將十八胺封裝在骨架中，獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、泄漏率低的復(fù)合相變材料，保證了ODA在骨架材料中的均勻分散和填充。此外，其他科學(xué)工作者也對(duì)石墨烯氣凝膠進(jìn)行了大量的研究，在導(dǎo)電、電化學(xué)、催化、新能源等方面都取得很大進(jìn)展。

目前，有機(jī)氣凝膠方面的研究數(shù)量雖然較少，但有機(jī)材料充斥人們的生活，有機(jī)氣凝膠的材料的研究必然賦予有機(jī)材料更多功能，有機(jī)氣凝膠材料也將會(huì)成為材料細(xì)分領(lǐng)域工業(yè)化最多的產(chǎn)品形式之一。

4 氣凝膠材料專(zhuān)利現(xiàn)狀分析

對(duì)氣凝膠材料相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行分析，從專(zhuān)利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、申請(qǐng)人類(lèi)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(zhuān)利檢索平臺(tái)對(duì)相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行檢索，共檢索到專(zhuān)利4923條。

近十年我國(guó)氣凝膠在領(lǐng)域的研究熱度持續(xù)攀升，專(zhuān)利申請(qǐng)量從2011年的57件上升到2018年的908件（2019年，2020年專(zhuān)利未完全公開(kāi)）。我國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中，大部分為發(fā)明專(zhuān)利，占比達(dá)88.7%，其次是實(shí)用新型專(zhuān)利，占比為11.1%，外觀(guān)設(shè)計(jì)專(zhuān)利較少，僅占0.2%。

對(duì)發(fā)明專(zhuān)利情況做進(jìn)一步分析可知，發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)率和有效率較高，分別64.07%和87.13%，表明本領(lǐng)域的專(zhuān)利質(zhì)量較高；相較之下，氣凝膠領(lǐng)域發(fā)明專(zhuān)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(zhuān)利占比較高。對(duì)我國(guó)氣凝膠領(lǐng)域?qū)＠纳暾?qǐng)人類(lèi)型進(jìn)行了分析，有44%的專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)自企業(yè)，其次是大專(zhuān)院校、科研機(jī)構(gòu)和個(gè)人，分別占39%，9%和7%，同樣說(shuō)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。

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(lèi)分析，對(duì)專(zhuān)利關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類(lèi)分析并對(duì)平臺(tái)給出結(jié)果進(jìn)一步篩選優(yōu)化。

從聚類(lèi)結(jié)果上看，氣凝膠領(lǐng)域的專(zhuān)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(zhuān)利較多，值得一提的是，氣凝膠在鏗離子動(dòng)力蓄電池應(yīng)用方面也有一定專(zhuān)利，表明鏗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(zhuān)利研究主要集中在超臨界法、射頻輻射和常壓干燥。

5 氣凝膠材料的分類(lèi)及應(yīng)用

從應(yīng)用產(chǎn)品形式分類(lèi)，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。

5.1 氣凝膠氈

目前，氣凝膠氈類(lèi)產(chǎn)品主要是以納米級(jí)SiO2氣凝膠為主，通過(guò)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(chǎng)、軍艦艙壁、動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域。

5.2 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(guò)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(mǎn)足不同客戶(hù)對(duì)保溫層厚度、耐溫及強(qiáng)度的要求。

5.3 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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)的用途是作為涂料添加劑或采光玻璃中的填充層。

5.4 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、六欽酸鉀晶須等為填料，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?xún)r(jià)比高，無(wú)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(mén)、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(kāi)發(fā)，除SiO2氣凝膠之外，陶瓷類(lèi)氣凝膠、石墨烯氣凝膠等其他類(lèi)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。

6 結(jié)束語(yǔ)

整體來(lái)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(chē)領(lǐng)域市場(chǎng)逐漸打開(kāi)，未來(lái)市場(chǎng)前景廣闊。

近十年，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(zhuān)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(zhuān)利整體質(zhì)量較高。從氣凝膠專(zhuān)利的主題詞聚類(lèi)結(jié)果來(lái)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(zhuān)利申請(qǐng)主要圍繞氣凝膠氈、氣凝膠板等傳統(tǒng)產(chǎn)品，而鏗離子動(dòng)力蓄電池也成為關(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(zhuān)利布局來(lái)看，多為實(shí)用新型專(zhuān)利，主要集中在產(chǎn)品或設(shè)備。發(fā)明專(zhuān)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。