氣凝膠(應用)

1、世界上第一個氣凝膠產品是1931年制備出的。當時，美國加州太平洋大學（college of the pacific）的steven.s. kistler 提出要證明一種具有相同尺寸的連續(xù)網絡結構的固體“凝膠”，其形狀與濕凝膠一 致。證明這種設想的簡單方法，是從濕凝膠中驅除液體而不破壞固體形狀。如按照通常的技術路線，很難 做到這一點。如果只是簡單地讓濕凝膠干燥，凝膠將會收縮，常常是原來的形狀破壞，破裂成小碎片。也 就是說，這種收縮經常是伴隨著凝膠的嚴重破裂。kistler 推測：凝膠的固體構成是多微孔的，液體蒸發(fā)時的液一氣界面存在較大的表面張力，該表面張力使孔道坍塌。此后，kistler 發(fā)現了

2、氣凝膠制備的關鍵技術（kistler, 1932）。kistler 研究的第一個凝膠是通過硅酸鈉的酸性溶液濃縮制備的sioz凝膠。然而，他試圖通過把凝膠中的水轉變成超臨界流體的方式來制備氣凝膠卻沒有成功。kistler 再嘗試首先用水充分洗滌二氧化硅凝膠 （從凝膠中去掉鹽），然后用乙醇交換水，通過把乙醇變成超臨界流體并使它 跑掉，第一個真正的氣凝膠形成了。kistler 的氣凝膠與現在制備的二氧化硅氣凝膠類似，是具有相當大的理論研究價值的透明、低密度、多孔材料。在之后的幾年時間里，kistler 詳盡地表征了他的二氧化硅氣凝膠的特性，并制備了許多有研究價值的其它物質的氣凝膠材料，包括:a120

3、3 , w03 ,fe203 , sn02、酒石酸饃、纖維素、纖維素硝酸鹽、明膠、瓊脂、蛋白、橡膠等氣凝膠。后來，kistler 離開了太平洋大學，到 monsanto公司供職。monsanto公司很快就開始生產商品化的氣 凝膠產品，monsanto公司的產品是粒狀的 si02材料，雖然其生產工藝無人知曉，但人們推斷應當是 kistler 的方法。monsanto公司的氣凝膠當時是被用來作化妝品及牙膏中的添加劑或觸變劑。在以后的近30年中，有關氣凝膠的研究幾乎沒有什么進展。直到20世紀60年代，隨著價格便宜的“煙霧狀的（fumed） ” si02的研制開發(fā)，氣凝膠的市場開始萎縮，monsant

4、o公司停止了氣凝膠的生產。從此，氣凝膠在很大程度上被人淡忘了。直到 20世紀70年代后期，法國政府向 claud bernard大學 的teichner教授尋求一種能儲存氧氣及火箭燃料的多孔材料。之后所發(fā)生的事情，在從事氣凝膠研究的人 員中有一種傳說。teichner讓他的一個研究生來制備氣凝膠并研究其應用，然而，使用 kistler的方法， 包括兩個耗時、費力的溶劑萃取步驟，他們的第一個氣凝膠花了數周時間才制備出來。然后，teichner告訴這個學生，要完成他的學位論文，將需要大量的氣凝膠樣品；該學生意識到，如按照kistler的方法制備， 這要花許多年才能完成，他精神崩潰地離開了teich

5、ner的實驗室；經過一段短暫地休息、思考，他又回到了實驗室，有一種強烈的動機，激發(fā)他去尋找一種更好的si02氣凝膠的合成工藝。經過不懈地努力探索，該學生成功地應用溶膠一凝膠化學法制備出si02氣凝膠，這使氣凝膠科學研究前進了一大步。這種方法用正硅酸甲酷（tmos*替kistler 所使用的硅酸鈉，在甲醇溶液中通過tmosk解一步產生凝膠（稱為“醇凝膠”），這消除了 kistler 方法中的兩個缺點，即醇水替換步驟及凝膠中存在無機鹽，在超臨界甲醇條件下 干燥這些醇凝膠，就制備出高質量的si02氣凝膠。后來，teichner的研究組及其他人使這種方法擴展，制備了多種金屬氧化物氣凝膠產品。目前，氣凝

6、膠的研制主要集中在德國的bas吆司、des修司，美國的勞侖茲利物莫爾國家實驗室（llnl）、桑迪亞國家實驗室（snl）,法國的蒙彼利埃材料研究中心，瑞典的lun%司以及美國、德國、日本的一些高等院校。在國內，sio2氣凝膠的制備及其特性研究九十年代才開始起步（陳龍武等，1995）。國內的主要研發(fā)及生產氣凝膠的企業(yè)：埃力生、金納、納諾、烏江等，當然中國市場還有阿斯彭這樣的純外資企業(yè)， 只是國內沒有生產。二氧化硅氣凝膠的應用領域氣凝膠材料在輸熱管道方面的應用輸熱管道保溫的現狀現在的工業(yè)輸送供熱管道，管道內溫度從幾十度至 5,600度都有。這些管道的保溫工程廣 泛使用硅酸鋁鎂質材料，玻璃纖維類材料。

7、約 30年前，保溫工程還幾乎都只是采用巖棉，礦 物棉類材料，到現在，巖棉保溫在工業(yè)保溫工程中，已被淘汰。在施工性能，防水性能等方面 都差別不大的情況下，被淘汰的主要原因就是導熱系數的差距。以下為主要幾種材料在不同溫 度下導熱系數。導熱系數mw/m k25 c100 c200 c400 c氣凝膠18212534硅酸鋁375572110玻璃纖維425070/、可用巖棉557092140發(fā)泡材料36/、口用/、口用/、口用現在我國的保溫工程的問題： 保溫結構不合理、保溫厚度不規(guī)范、保溫施工不到位。 易變形、沉降，熱穩(wěn)定性差，破損率大，后期保溫效果差，無法滿足工藝要求。 保溫效果差且下降明顯，導致保溫

8、工程維護成本提升，設備運行費用增加。 使用壽命基本只有35年，到期需全部更換。 不完全防水，易吸水吸潮腐蝕管道。 對于超過100度的較高溫度的管道，保溫層至少需要 200mm度，管道線熱流密度高, 熱能損失大。氣凝膠材料帶來的好處： 隔熱效果是傳統(tǒng)隔熱材料2-5倍，高溫下優(yōu)勢更明顯，而且壽命更長。 材料整體憎水，可有效防止水分進入管道、設備內部，同時具有a1級防火性能。 質輕，容易裁剪、縫制以適應各種不同形狀的管道、設備保溫，且安裝所需時間及人力 更少。 更少的包裹體積及更輕的重量可大大降低保溫材料的運輸成本。 對設備進行保溫的同時，還可以起到吸聲降噪、緩沖震動等功能，提高環(huán)境質量，保護 設備

9、。 僅需1/2至1/5的厚度即可達到傳統(tǒng)材料相同的隔熱效果，熱損失非常小，空間利用率氣凝膠復合保溫材料與現流行的保溫材料具體性能對比:氣凝膠復合保溫氈傳統(tǒng)保溫材料復合硅酸鹽巖棉導熱系數，（常 溫）183655350c下導熱系 數30110130350c下保溫厚 度30mm100mm110mm谷重，kg/m3200120-150100-120防水性憎水率99%無需特殊防水 措施不完全防水，易吸水吸潮腐蝕管道，防護板表面 需噴涂金屬密封膠進行防水三通、閥門等保 溫可拆卸保溫套，保溫效果好， 使用方便填充方式或保溫盒保溫，保溫效果差使用壽命10年35年整體性好，具后較好的抗震 抗拉性，在使用過程中不

10、出 現顆粒堆積、沉降等現象材料結構松散，自重、設備振動、材料進水等極 易導致材料解體、沉降，保溫效果明顯下降，熱 損失嚴重超標。其他使用厚度小，可減少管道保 溫厚度，減少蒸汽管道間距， 減少廠房囿枳或管廊大小。保溫層厚，搭接處容易存在縫隙，較高的膨脹收 縮系數易致使縫隙成為熱橋，振動后更明顯，熱 損失大。氣凝膠復合保溫材料與現流行的保溫材料的經濟效益對比:（以1km, 100mnfl徑，供熱溫度300度管道為例計算）氣凝膠復合保溫氈復合硅酸鹽氈預計表面溫度（c）3535保溫材料厚度mm120300保溫層總體積m383377主要材料費用（萬元）8545施工費及輔材費（萬元）1120管道線熱流密度

11、（w/m130300熱損失比13損失總熱能（）3%10%實際應用過程中，復合硅酸鹽氈在使用 2、3個月后，保溫效果將越來越差，損失的熱量將更大氣凝膠材料在ln助面的應用lng呆溫的現狀在lngt程及其他低溫項目建設中，低溫、超低溫設備涉及到的溫度大都在-40至-170攝氏度。最常用的深冷保冷材料主要有 pur/pir,發(fā)泡玻璃，橡塑，改性酚醛泡沫等，這些材料 較之于先前使用的珍珠巖材料，無論從性能還是施工方面看，都有了很大的改善。保冷效果的 好壞不僅關系到整個設備的輸送效率， 而且對裝置的安全生產也有至關重要的影響。 合適的保 冷材料不僅能夠降低能耗、減少冷量損失，而且為符合環(huán)保要求、為企業(yè)安

12、全生產和創(chuàng)造更好 的效益提供了保障。氣凝膠型保溫材料的出現，似乎正是為了這種深冷型保溫而量身定做，在國內外已經開始廣泛應用。我國當前絕大多數的lng俞送管道保冷工程都不是很理想，其主要缺陷及成因如下： 傳統(tǒng)材料保溫性能衰減很快，導致維護成本很高。 傳統(tǒng)材料保冷效果差，冷損失大，容易給天然氣或其他壓縮氣體的儲藏運輸帶來危險。 傳統(tǒng)材料包裹厚度大，給密集型管線排布設計帶來諸多不便。 管道由于保冷層的效果差而很容易被結露的水腐蝕。 保冷層很容易因結露水太多而失去效果。 有機類材料防水性可以但無法滿足防火要求。氣凝膠材料帶來的好處 保冷效果優(yōu)異，常溫熱導僅 0.016w/m*k,超低溫時熱導率0.01

13、w/m*k,所需保冷層厚 度大大減小，有效降低冷損失，為密集型管線排布設計提供優(yōu)化。 具有最佳的低溫穩(wěn)定性，-200c仍可長期保持保冷性能及良好柔性，不開裂。 尺寸穩(wěn)定性極佳，納米級特殊結構可抵抗管道伸縮帶來的內應力，無需設置伸縮縫。 氣凝膠材料的疏水性能好，可有效抑制水滲入金屬管線表面，防止管線腐蝕，防止保溫 材料因滲水而導致保溫效果下降。 材料為無機材料，主要成分 sio2,不含膠黏劑，性能穩(wěn)定，安全防火，使用壽命更長。 材料切割、施工方便，維護成本低。與現流行較好的保冷材料具體性能對比:氣凝膠復合氈墊發(fā)泡玻璃類發(fā)泡pir聚二聚氟酸脂導熱系數，w/(m?k)0.010 0.0200.050

14、 0.0800.030 0.040容重,kg/m3190150 24050 180保冷厚度約為1/221吸水率(vol%)0.3621.5防水性整體防水，憎水率99% 納米結構能夠肩效的抵御結露、結霜防水性差，需外 加防水措施防水性差，需外加防 水措施可施工性可成卷材，異形件，柔性 好，易施工很差，損耗高，普通，可現場發(fā)泡， 但發(fā)泡均勻性較差超低溫穩(wěn)定性優(yōu)，預計壽命3-5年穩(wěn)定性一般，壽 命約2年易老化，強度變低，穩(wěn)定性差，6個月到1年需更換尺寸穩(wěn)定性0.45%差差重復利用性拆卸檢修時，可重復利用拆卸時易碎，無 法利用拆卸時易碎，無法利 用其他使用厚度為1/2,體積約為 1/3,減少25%勺輔

15、材費用, 減少管線排布難度。氣凝膠復合保溫氈墊與 pir材料的經濟對比：（以1km直徑100mm勺管道計）氣凝膠絕熱氈發(fā)泡玻璃pir預計保冷層厚度（mm）4016080預計表面溫度（c）303030保冷材料體積（m317.514045.2主要材料費用（萬元）約1814約7施工及輔材 費（萬元）約3約8約5冷損情況約1/321維護情況幾乎/、需要，即使遇到物理損傷，也易于修補幾乎不維護，使用壽 命到達后，整體更換老化嚴重，每3-6個月都需 要大修，每次維護花費1-2 萬填埋管道體積小，土石方工程為原先1/3 預制管道的話，體積小，運輸成 本低。體積太大，無法用作 預制管道體積大，無法制作預制管道

16、氣凝膠材料在涂料方面的應用氣凝膠涂料的應用現狀涂料行業(yè)發(fā)展至今，分類越發(fā)細化，針對性越發(fā)專業(yè)。納米氣凝膠復合涂料是跟隨納米氣凝膠 材料的發(fā)展，而新興開發(fā)出的涂料品種，根據具體使用要求的區(qū)別，又可分成保溫隔熱涂料， 疏水涂料，等不同品種，擁有非常廣闊的應用前景。1、保溫涂料是一種新型的保溫材料，通過低導熱系數和高熱阻來實現隔熱保溫的一種涂 料。氣凝膠以其最優(yōu)秀的保溫性能，非常貼合保溫涂料的技術要求，既要保溫隔熱效果好，又 要涂膜薄。目前世界發(fā)達國家在這方面的開發(fā)應用已經較為普及，無論是建筑行業(yè)，還是工業(yè)管道，已有大量應用。國內應用基本上都是進口國外產品。不同于發(fā)射型涂料，保溫隔熱型涂 料對于隔熱

17、性能有很高的要求，而不僅僅只是反射陽光紅外線。2、疏水涂料是把原來的涂料進行改進，具有疏水功能，具有荷葉效果，污漬容易擦洗， 其主要性能有疏水自潔、呼吸透氣、彈性修復等功能。現目前幾乎所有的水性涂料均要添加疏 水劑，以增強涂料在這方面的功能。疏水型納米氣凝膠材料以其很高的疏水率，成為涂料的疏 水添加劑的理想材料。納米氣凝膠材料在涂料方面應用的優(yōu)勢（無論對于保溫涂料，或者作為疏水添加劑） 環(huán)保，對生態(tài)環(huán)境友好 應用廣泛，施工非常簡單方便。 修復和恢復簡單，維護費低。厚度1-1.5mm的涂層具有10-20mm厚度的保溫纖維或50-100 mm厚度的磚石相似的 保溫效果。 正常的條件下（-60 c以

18、上200 c以下）納米保溫涂料的壽命是10年。防火阻燃性能優(yōu)良，涂層軟化溫度 260。c以上，燃燒無明火無毒性煙霧產生，遇火阻燃時 間長。 疏水性好，防水，防止發(fā)霉。涂層不受濕度，結露以及溫度的影響。納米氣凝膠涂料的適用范圍：建筑領域：外墻、地板、屋頂、閣樓 、保溫地板防霉：木材、水泥玻璃：高透光、低傳熱金屬結構：冷庫、儲藏室、廠房外墻、廠房彩鋼頂工業(yè)設備：冷、熱水管道石油煤氣管道、石油庫化學產品儲罐、存儲庫、集裝箱山洞隧道：墻面防水、防霉、防潮、保溫、自清潔空調管道、列車客房、冰箱、氣象設備納米氣凝膠涂料與其它材料的對比納米氣凝膠涂料硅酸鋁鎂質纖維板導熱系數mw/mk1240納米氣凝膠疏水劑

19、有機硅疏水劑疏水接觸角150120氣凝膠材料太陽能方面的應用在國外，氣凝膠用于屋面的太陽能集熱器已經有很長時間了。 在民用領域，太陽能熱水器 及其他集熱裝置的高效保溫，成了能否進一步提高太陽能裝置的能源利用率和進一步提高其實 用性的關鍵因素。隨著納米孔超級絕熱材料生產技術的不斷成熟和生產成本的不斷降低，該材料首先應用在家庭及單位的太陽能熱水器。將納米孔超級絕熱材料應用于熱水器的儲水箱、管 道和集熱器，將比現有太陽能熱水器的集熱效率提高一倍以上，而熱損失下降到現有水平的 30犯下。平板太陽能集熱器的效率與其透明蓋板的集熱率， 發(fā)射率息息相關，氣凝膠復合玻璃代替 傳統(tǒng)玻璃可大大提高集熱器效率，可有

20、效降低蓋板與吸熱板及周圍環(huán)境的熱損失。新材料蘊含商機驚人，比如目前我國主要以真空管太陽能集熱器， 市場占8 0 %以上，平 板型太陽能集熱器市場不到2 0%,而在國外，平板型太陽能集熱器市場份額占8 0%以上。如果全國有三分之一家庭太陽能熱水器使用0 .1立方米的氣凝膠材料，每年可實現2 0億元的產值。氣凝膠材料在汽車隔熱方面的應用氣凝膠隔熱墊的優(yōu)點: 發(fā)動機及排氣管一般溫度在350度左右，溫度很高，一般車身都是比較緊湊的不可能有 太多的空間來做隔熱，因此要求保溫層必須要薄。 隔熱材料的使用壽命也是一個很重要的問題。 引擎蓋隔熱可保護漆面，冬天保護水箱，同時還有隔音的效果。氣凝膠材料建筑材料方

21、面的應用建筑保溫的現狀:隨著國家對節(jié)能減排要求的不斷提高，及人們對生活品質的追求，建筑保溫逐漸成為建筑 領域的一個重點課題。對于一棟建筑物來說，幾乎所有部位，都涉及到需要保溫隔熱的問題。 包括建筑內外墻，屋頂，地板，玻璃窗戶。唯有整體保溫隔熱，才能真正的達到節(jié)能減排的目 的。目前我國建筑行業(yè)選用的保溫隔熱材料，可謂是品種繁多，應用方法也可謂是花樣百出。 其實對于這樣的狀況，可以理解為所有的選擇，都有其局限性，都不能完美的解決問題。傳統(tǒng) 保溫材料的問題，都出現在性能方面，而氣凝膠復合材料的問題，則是價格方面。種類主要優(yōu)點主要缺點膨脹礦石價格很便宜導熱系數高，厚度不夠的話起不到保溫 效果，厚度足夠

22、浪費空間發(fā)泡有機材料導熱系數較低，厚度可 相對較薄，不占空間達不到a級不燃，易引起著火，加入大 量阻燃劑則影響導熱系數。若加工成混 合砂漿類，夾心板類，也造成導熱系數極大上升。無機纖維類導熱系數一般吸潮真空板類導熱系數很好，雖然施 工中必然引入熱橋，大 大影響實際隔熱性能易破損,施工難度大氣凝膠復合材 料隔熱性能好，a級不 燃，防火防霉，施工方 便，幾乎完美價格貴，可能造成房屋建造成本每平米上升500元在美國市場上，氣凝膠復合保溫材料最大的應用就是在建筑材料領域。美國住建部門對房屋的隔熱性能有明確嚴格的規(guī)定，開發(fā)商們以前為了達到這樣的規(guī)定，都必須給房屋內外墻， 地板，加裝厚厚的保溫層，直到氣凝膠復合材料的出現。美國的建筑墻體因此而大幅度變薄， 房屋的凈空大幅增加，占地變小。而帶來的成本增加，誠實的傳遞到最終消費者身上，消費者 通過計算每年的節(jié)能率，也完全可以接受。氣凝膠材料在客車、救生艙方面的應用客車，救生艙的保溫現狀客車和礦井救生艙的保溫都有共同的特點要求，即是要保證倉內溫度維持穩(wěn)定，同時倉內空間有限，對保溫材料的絕熱性能、耐溫性能、防腐、強度、耐老化等各項性能有著極高要求。目前我國在這方面的保溫工程問題比較嚴重： 導熱系數較高，隔熱效果差，空調設