納米多孔超輕質(zhì)高效隔熱SiO2氣凝膠

納米多孔超輕質(zhì)高效隔熱siO2氣凝膠1、項(xiàng)目提出的主要理由面對(duì)能源短缺問(wèn)題，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，減少熱損失和能源浪費(fèi)、提高熱能利用效率具有重要意義，這勢(shì)必需要大力發(fā)展隔熱保溫材料，廣泛采用新型優(yōu)質(zhì)隔熱保溫材料，對(duì)我國(guó)國(guó)防、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。SiO2氣凝膠是一種新型輕質(zhì)納米多孔材料，具有低密度、高孔隙率、低熱導(dǎo)率和低折射率，是一種新型高效隔熱保溫材料。納米多孔SiO2氣凝膠以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可有效的阻止熱量傳輸?shù)娜N方式，常溫常壓下熱導(dǎo)率小于0.013W/mK，比靜止空氣的熱導(dǎo)率(0.026W/k?m)還低，是目前熱導(dǎo)率最低的固體材料，可稱為超級(jí)絕熱材料。納米多孔SiO2氣凝膠具有一定的抗壓強(qiáng)度，可在高溫下穩(wěn)定工作，最高使用溫度可達(dá)1000°C，高溫下不分解，無(wú)有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料。納米多孔SiO2氣凝膠還具有極高的孔隙率、極低的密度、極低的聲傳播速度、極低的介電常數(shù)、極高的比表面積、透明等優(yōu)異性能，在熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、微電子、石油化工、航空航天、節(jié)能建筑等領(lǐng)域具有十分廣闊的使用前景。工業(yè)及民用領(lǐng)域在石化行業(yè)、化工行業(yè)和冶金行業(yè)中，管道、爐窯及其它熱工設(shè)備普遍存在，用SiO2氣凝膠及其復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的保溫材料對(duì)它們進(jìn)行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率。在民用領(lǐng)域，

具有高度透光率并能有效阻止高溫?zé)彷椛涞腟iO2氣凝膠可以用作太陽(yáng)能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料，大大提高其實(shí)用性。用熱導(dǎo)率極低的摻雜SiO2氣凝膠取代聚氨酯泡沫作為冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，可以防止該材料內(nèi)含有大量氟里昂氣體泄漏破壞大氣臭氧層，從而保護(hù)人類的生存環(huán)境。冷藏集裝箱作為一種冷凍、冷藏運(yùn)輸設(shè)備，必須有良好的隔熱結(jié)構(gòu)，才能保證設(shè)備的正常工作，用SiO2氣凝膠代替硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可用作冷藏集裝箱的隔熱材料。氣凝膠保暖服、保暖鞋已經(jīng)以商品的形式出現(xiàn)在美國(guó)市場(chǎng)上，為極地探險(xiǎn)、寒地運(yùn)動(dòng)、北極科考以及寒地單兵提供了御寒保障。2）節(jié)能建筑領(lǐng)域目前高層或超高層建筑的主體大多采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差，如不采取有效的防火保護(hù)措施，一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞，“911事件中美國(guó)世貿(mào)大廈被燒毀就是最好的例證。將SiO2氣凝膠隔熱復(fù)合材料用于鋼結(jié)構(gòu)防火不但可以延長(zhǎng)防火時(shí)間，而且高溫下也不會(huì)釋放出對(duì)人體有害的物質(zhì)，屬于全綠色防火材料，因而倍受人們青睞。青藏鐵路是世界上海拔最高、線路最長(zhǎng)的高原鐵路，它的修建對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)交流、增進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、維護(hù)國(guó)家統(tǒng)一、鞏固國(guó)防安全、保持社會(huì)穩(wěn)定更具有極其重要的戰(zhàn)略意義。而在高原上興建鐵路要面臨著高原氣候和凍土兩大難題，隨著氣溫的變化和升降，凍土層產(chǎn)生凍結(jié)膨脹和融化下沉，并對(duì)建筑工程帶來(lái)及其不利的影響。這也是多年凍土地區(qū)的工程建筑物遭受破壞的原因之一。新型SiO2氣凝膠高

效隔熱復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)對(duì)于解決這一難題具有廣闊的前景。氣凝膠玻璃作為一種新型建筑材料，具有很好的熱穩(wěn)定性、耐熱沖擊性以及隔熱保暖性，可以替代傳統(tǒng)的礦物棉，使房屋既隔熱又保暖。如果將其用于高層建筑，則可取代一般幕墻玻璃，大大減輕建筑物自重，并能起到防火作用。此外，SiO2氣凝膠隔熱由于具有較低的表觀密度和熱導(dǎo)率以及較好的耐高溫性能，可以用作高效隔熱消聲材料。3）特殊使用領(lǐng)域在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，各類新式武器層出不窮，熱防護(hù)工程作為這些新式航空航天武器的關(guān)鍵技術(shù)，可以起到保護(hù)內(nèi)部控制電路失效和防止金屬材質(zhì)結(jié)構(gòu)部件軟化的重要作用。對(duì)于航空航天武器而言，密度是考核材料的關(guān)鍵指標(biāo)，輕質(zhì)材料對(duì)于提高武器的載重能力、飛行距離具有重要意義。在要求質(zhì)輕和占用空間有限的絕熱部位，采用氣凝膠材料制備而成的隔熱材料受到了高度重視。氣凝膠材料具有低密度、高熱容、低導(dǎo)熱的突出特點(diǎn)，采用該類材料制備的隔熱材料廣泛使用于國(guó)內(nèi)外各類先進(jìn)武器的熱防護(hù)工程。飛機(jī)上記錄飛行狀況數(shù)據(jù)的黑匣子已用該材料作為隔熱層。英國(guó)“美洲豹”戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)艙隔熱層采用的也是該材料。另外，它還可以用作各類高溫燃料電池、熱電池、照明電池的隔熱層。美國(guó)NASA在“火星流浪者”的設(shè)計(jì)中，也用過(guò)SiO2氣凝膠隔熱材料作為保溫層，用來(lái)抵擋火星夜晚的超低溫。在地球軌道上的航天器受到太陽(yáng)光的直接照射以及溫度為4K的冷空間的熱輻射，如不進(jìn)行專門的熱設(shè)計(jì)，正對(duì)太陽(yáng)光的航天器表面溫度可高達(dá)+200r以上，而背對(duì)太陽(yáng)光的航天器表面溫度可低到一200°C以

下，所以為了保證航天器及其儀器設(shè)備的正常工作，必須對(duì)航天器進(jìn)行專門的熱設(shè)計(jì)。最有效的辦法就是在航天器表面覆蓋隔熱性能優(yōu)異的多層隔熱材料，SiO2氣凝膠材料的隔熱性能比常用的隔熱材料（泡沫塑料）好2個(gè)數(shù)量級(jí)左右，是很好的替代材料。在人類移居月球的計(jì)劃中，科學(xué)家已將SiO2氣凝膠材料列為太空建筑的主體材料。目前，我國(guó)海軍核潛艇、蒸汽動(dòng)力導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復(fù)雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)均采用普通纖維材料（玻璃纖維、硅酸鋁纖維等）作為隔熱材料，在大型海洋艦艇、船舶上目前使用的隔熱材料有：礦棉保溫板、玻璃棉保溫板、黃軟木板、黑軟木板、酚醛泡沫板、聚氨酯泡沫板、石棉泡沫板、聚酰亞胺泡沫板、磷臘泡沫板、聚雙馬來(lái)酰亞胺泡沫板等，這些材料的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇升高，隔熱效果不是太好，易燃、笨重、難安裝極大地影響了它們的作戰(zhàn)能力。SiO2氣凝膠隔熱材料作為其替代產(chǎn)品，在艦船，尤其是核潛艇上的使用可以有效降低普通隔熱材料的用量，增大艙內(nèi)的使用空間，同時(shí)降低艙內(nèi)溫度，有效改善各種工作環(huán)境。另外，國(guó)外已用氣凝膠材料研制出了士兵防護(hù)服，將對(duì)保護(hù)士兵免受環(huán)境影響、提高戰(zhàn)斗力十分有利。4）其他使用方面：1）低的聲波傳遞速度，約為100m/s，可以作為理想的聲學(xué)延遲或高效隔音材料，以及理想的超聲探測(cè)器的聲阻藕合材料，理論上通過(guò)這種藕合可使聲強(qiáng)提高到40dB。

2） 在光學(xué)特性方面，可制成可見(jiàn)光透明、紅外不透明的氣凝膠材料，紅外和可見(jiàn)光的湮滅系數(shù)之比達(dá)到100以上，其折射率又接近于1，真空窗玻璃之間的硅氣凝膠的熱損失率比目前最好的窗系（氫氣充填并用低發(fā)射率的銦氧化物或銀涂層）相比要減少2/3，即可用于民用絕熱透明材料，又可在軍用紅外隱身材料發(fā)揮作用。3） 氣凝膠可以作為高技術(shù)項(xiàng)目慣性約束聚變所需的聚變冷凍靶的候選材料。由于其中低阻抗的空氣（阻抗值為400kg/m2）之間的匹配，在超聲傳感器系統(tǒng)方面得到有效的使用。4） 氣凝膠有可控的納米微孔，其孔洞大小分布均勻，氣孔率高?？梢宰鳛闅怏w過(guò)濾器的合適材料，在毒氣的過(guò)濾和分離方面有很好的潛在使用前景。5） 由于其低介電常數(shù)和介電常數(shù)的可調(diào)性，可以作為新型集成電路的襯底材料。6） 利用它的高孔隙率來(lái)作生物傳感器、氧和二氧化碳傳感器及水中有機(jī)溶劑吸附劑。7） 納米多孔氧化硅氣凝膠透明、可呈現(xiàn)不同的顏色、輕的像煙一樣浮在空中，可開(kāi)發(fā)成高檔工藝品。8） 納米多孔氧化硅氣凝膠還可用于高級(jí)化妝品中的添加劑、各種添加劑、潤(rùn)滑劑、油漆、研磨膏等，還可用于納米吸附殺菌材料。納米多孔SiO2氣凝膠項(xiàng)目成功實(shí)施將成為福建省首家具有氣凝膠生產(chǎn)技術(shù)的單位，將成為省內(nèi)乃至國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氣凝膠的龍頭企業(yè)，明顯提高我省高技術(shù)隔熱材料的技術(shù)水平，并形成較大的產(chǎn)業(yè)鏈，帶動(dòng)

我省隔熱材料高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)形勢(shì)如此嚴(yán)峻的今天，納米多孔SiO2氣凝膠隔熱材料可以成為企業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，同時(shí)可以為社會(huì)提供工作崗位，緩解就業(yè)壓力。2、國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)SiO2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)的一種高分散固態(tài)材料，具有連續(xù)無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是典型的分形結(jié)構(gòu)。由于氣凝膠納米尺度的顆粒及孔隙分布，使其具有很低的熱導(dǎo)率，因而該材料最具潛力的使用是作為一種超級(jí)隔熱材料使用。近年來(lái)國(guó)外絕熱保溫材料發(fā)展明顯加快，由于整體納米技術(shù)的發(fā)展，又激發(fā)起了人們對(duì)納米孔超級(jí)絕熱材料的重視，美國(guó)和歐洲各國(guó)的研究異?；钴S，日本及韓國(guó)也進(jìn)行了較多的開(kāi)發(fā)。美國(guó)ASPEN公司對(duì)氣凝膠隔熱的研究較早，對(duì)氣凝膠隔熱機(jī)理認(rèn)識(shí)比較深刻，主要針對(duì)柔性氣凝膠隔熱產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和使用。但是，美國(guó)氣凝膠產(chǎn)品對(duì)中國(guó)卻是完全禁用的。國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)側(cè)重于氣凝膠基礎(chǔ)研究，所制備的氣凝膠隔熱材料力學(xué)強(qiáng)度較小，成形性較差，只有少量的實(shí)際使用。北京科技大學(xué)利用硅酸鈣石二次粒子和氣凝膠復(fù)合制備隔熱復(fù)合材料，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)工程使用。納諾高科為代表的國(guó)內(nèi)從事氣凝膠隔熱材料研究、生產(chǎn)的企業(yè)起步較晚，技術(shù)力量薄弱，并且無(wú)使用實(shí)例?，F(xiàn)有的隔熱材料都存在一定的不足，而現(xiàn)代隔熱使用要求性能更好的隔熱材料，所以對(duì)具有高力學(xué)強(qiáng)度、低導(dǎo)

熱系數(shù)、良好耐溫性、低密度和良好加工成形性的氣凝膠隔熱材料的要求更為迫切。廈門大學(xué)材料學(xué)院2006年開(kāi)始SiO2氣凝膠研究工作，采用溶膠-凝膠法結(jié)合超臨界干燥法和常壓干燥法對(duì)SiO2氣凝膠的制備進(jìn)行了詳細(xì)地研究，突破了氣凝膠制備的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家專利。通過(guò)對(duì)SiO2氣凝膠制備工藝參數(shù)的分析，利用正交實(shí)驗(yàn)確定了氣凝膠的反應(yīng)配比，并采用多種分析手段，對(duì)材料進(jìn)行了微觀組織、孔隙結(jié)構(gòu)、熱物性等方面的測(cè)試和分析。圖1是利用超臨界干燥法制備的SiO2氣凝膠塊體。同時(shí)利用SiO2氣凝膠制成了氣凝膠高效隔熱復(fù)合板，如圖2所示。MbMb圖1SiO圖1SiO2氣凝膠塊體圖2SiO2氣凝膠復(fù)合板3、研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)、內(nèi)容3.1研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)通過(guò)該項(xiàng)目的支持，突破SiO2氣凝膠隔熱材料中試生產(chǎn)技術(shù)，為SiO2氣凝膠生產(chǎn)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。制備的氣凝膠隔熱材料達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：1） 熱導(dǎo)率：W0.020W/m-K（室溫）；2） 吸水率V10%；3） 密度:W400kg-m-34） 工作溫度范圍：-20?800°C；5） 阻燃性好，高溫使用不分解，無(wú)有害氣體放出；6） 耐侯性好。3.2研究?jī)?nèi)容納米多孔SiO2氣凝膠的成分設(shè)計(jì)和合成工藝優(yōu)化研究：原材料、催化體系的選擇、設(shè)計(jì)及基本配方的優(yōu)化研究；合成工藝優(yōu)化研究，包括濕凝膠的形成過(guò)程、干燥化學(xué)控制添加劑的選擇、老化提高強(qiáng)度過(guò)程、逐級(jí)干燥過(guò)程；紅外遮光劑的選擇、最佳摻雜比及原位合成研究；凝膠的成型及脫模研究；凝膠的超臨界流體/常壓干燥工藝及干燥機(jī)理研究。3.3預(yù)期成果項(xiàng)目完成后，將以下列方式提供成果：1、建成SiO2氣凝膠隔熱材料的中試生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，性價(jià)比高，產(chǎn)品使用于省內(nèi)外的各需求單位。

2、 建立SiO2氣凝膠隔熱材料的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法。3、 通過(guò)該項(xiàng)目的支持開(kāi)展SiO2氣凝膠隔熱材料基礎(chǔ)理論的研究，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4、 提交一份研究報(bào)告。5、 至少申報(bào)二項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。4、項(xiàng)目總投資項(xiàng)目總投資100?200萬(wàn)元，可形成工業(yè)、節(jié)能建筑、民用需求的中試規(guī)模的納米多孔輕質(zhì)SiO2氣凝膠材料生產(chǎn)。設(shè)備：高壓釜/100L30萬(wàn)元溶膠裝置20萬(wàn)元凝膠模具10萬(wàn)元常壓脫水系統(tǒng)20萬(wàn)元后處理爐20萬(wàn)元共計(jì)：100萬(wàn)元原料：硅溶膠5000元/噸硅酸乙酯15000元/噸異丙醇10000元/噸乙醇10000元/噸玻璃棉18000元/噸成本（溶劑回收，硅溶膠為原料）：約15?20元/升成本（溶劑回收，硅酸乙酯為原料）：約25?30元/升5、經(jīng)濟(jì)效益分析

國(guó)外小顆粒氣凝膠售價(jià)為450元/升，國(guó)內(nèi)用于隔熱的定價(jià)可在150?200元/升。一年每臺(tái)50L的設(shè)備產(chǎn)量約為12500L,每升利潤(rùn)為100元，則中試期間利潤(rùn)為125萬(wàn)元。按這個(gè)比例，若能占有隔熱材料的萬(wàn)分之一的市場(chǎng)，在2010年銷售200噸納米多孔SiO2氣凝膠隔熱復(fù)合材料，約2000,000升，則利潤(rùn)為2億元。若按利潤(rùn)的十分之一計(jì)算也還有2000萬(wàn)元。6、承擔(dān)單位基本情況廈門大學(xué)材料學(xué)院在教育部985工程和211工程，以及多項(xiàng)國(guó)家科技項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支持下已經(jīng)建設(shè)了一個(gè)具有先進(jìn)水平的氣凝膠體合成、復(fù)合材料制備、分析和檢測(cè)平臺(tái)。廈門大學(xué)具有先進(jìn)的公共分析、檢測(cè)平臺(tái)，主要設(shè)備包括：德國(guó)NETS1500°C高溫