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气凝胶凭何占据绝热材料市场金字塔塔尖

某研究报告称,2010年,全球绝热材料市场估计规模为321亿美金,未来年增长率为 6.3%,到2019年可达556亿美金。其中工业和设备领域约占总份额三分之一,建筑领域占总分额的三分之二。根据全球市场洞察力企业的最新调查报告,建筑绝热材料的市场规模预计到2024年将达到349亿美金。作为占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分的气凝胶,凭何立足,如何稳立,赢得市场呢?

绝热材料是指能阻滞热流传递的材料,又称热绝缘材料。绝热材料一方面满足建筑空间或热工设备对热环境的要求,另一方面也节约了能源。有些国家将绝热材料看作是继煤炭、石油、天然气、核能之后的“第五大能源”,广泛应用于住房建筑、工农业、国防设施、装备制造、环境工程等国民经济各个领域,是我国大力推进节能减排、建筑节能和噪声污染防治,实现绿色低碳发展的关键材料和重要保障。

按绝热性能,绝热材料可分为传统绝热材料和新型绝热材料两大类。

传统绝热材料,如玻璃纤维、石棉、岩棉、矿渣棉、硅酸盐、硅藻土、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、发泡粘土、轻质混凝土、微孔硅酸钙、泡沫玻璃、陶瓷纤维等一直以来发挥着举足轻重的作用,广泛应用于各个领域。在2016年的建筑绝热材料市场中,矿物棉绝热材料贡献了超50%的消费量。但是,这些传统绝热材料在不同程度上均存在一定的不足。

为了克服上述绝热材料的不足,满足国家对节能环保的要求,新型绝热材料应运而生。新型绝热材料有纳米孔绝热材料、真空绝热材料、低辐射绝热材料、相变储能材料、透明保温材料等。其中,气凝胶材料占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分。

气凝胶,也称为干凝胶,密度仅为空气密度的2.75倍,是世界上密度最小的固体。气凝胶按照其组成不同可以分为碳系,硅系,硫系,金属氧化物系,金属系等。但是目前开发和应用最成熟的是硅系气凝胶——二氧化硅气凝胶。

二氧化硅气凝胶是一种新型轻质纳米多孔材料,它具有纳米结构(典型孔径小于50nm,骨架颗粒为1~20nm),大比表面积(最高可达800~1000m2/g),高孔洞率(可高达80%~99.8%)等特点。另外,二氧化硅气凝胶能耐高温,一般在800℃下,结构、性能无明显变化,因此,二氧化硅气凝胶在作为高温隔热材料方面具有无与伦比的优越性:

当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时,气孔内的空气分子就失去了自由流动的能力,相对地附着在气孔壁上,这时材料处于近似真空状态。

由于气凝胶内的气孔均为纳米级气孔再加材料本身极低的体积密度,使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多“,对于每一个气孔壁来说都有遮热板的作用,因而产生近于”无穷多遮热板“的效应,从而使辐射传热下降到近乎最低极限。

由于近于无穷多纳米孔的存在,热流在固体中就只能沿着气孔壁传递,近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路劲”效应,使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。

与传统绝热材料相比,纳米孔二氧化硅气凝胶绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果。它具有很好的热稳定性、耐热冲击性以及隔热保暖性,可以替代传统的矿物棉,使房屋既隔热又保暖。如果将其用于高层建筑,则可取代一般幕墙玻璃,大大减轻建筑物自重,并能起到防火作用。此外,在管道、炉窑及其它热工设备中用二氧化硅气凝胶隔热复合材料替代传统的保温材料,可大大减少热能损失。将纳米孔超级绝热材料二氧化硅气凝胶应用于太阳能热水器的储水箱、管道和集热器,集热效率可提高1倍以上,而热损失下降到现有水平的30%以下。而且,使用前后能够保持不粉化、不脆化、不老化;不支撑霉菌生长,综合性能长期保持不变;使用年限长,可与建筑物同寿命。

1931年,美国斯坦福大学Kistler通过水解水玻璃首次制备得到气凝胶。但直到2013年左右,这个产业才算发展起来,目前比较领先的是美国和中国。气凝胶材料占据了整个绝热材料市场金字塔模型的塔尖部分,但目前在整个绝热材料市场中的规模几乎是微不足道的,这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段,同时又预示着其未来巨大的发展空间。

据研究分析,价格高昂、制备周期长、有腐蚀性等特性成为国内外气凝胶发展瓶颈,一直制约着气凝胶的应用前景。所以,气凝胶若要稳立绝热材料市场金字塔塔尖,必须,简化二氧化硅气凝胶的制备工艺,缩短时间,降低成本,获取能满足各种复杂环境的改性二氧化硅气凝胶。届时,二氧化硅气凝胶以其优越的隔热性能在民用领域及航空领域必将得到越来越多的重视,逐渐取代传统隔热材料。

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