世界上已知最輕固體
如果做到極致，氣凝膠這種固體甚至能飄在空氣中；正面經(jīng)受1000多攝氏度的火焰噴射，背面依然可以用手摸……這就是神奇的氣凝膠。北京愛彼愛和新材料有限公司董事長田雷告訴科技日報記者，氣凝膠也稱空氣膠、固態(tài)煙霧或是藍(lán)煙，是一種納米級別的多孔超級隔熱材料。
通俗來講，氣凝膠是一種物質(zhì)形態(tài)。2014年世界材料大會提出，這種形態(tài)由90%以上的空氣和不足10%的固體構(gòu)成。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達(dá)到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測中不可替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進(jìn)行絕緣。除航天外，氣凝膠還可廣泛應(yīng)用于軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領(lǐng)域是傳統(tǒng)保溫材料的革命性替代產(chǎn)品。
由德國資助成立的同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所副所長沈軍是國內(nèi)最早研究氣凝膠的學(xué)者之一。他告訴科技日報記者，氣凝膠之所以具有這樣的秉性，主要由于其特殊的納米多孔結(jié)構(gòu)。
“做豆腐的程序大家都熟悉，我們首先要用原料做成豆?jié){，然后凝固變成豆腐，如果將豆腐里面的水分?jǐn)D出去就是豆干，變成豆干后體積大幅減小，氣凝膠的制備類似于要將豆腐里的水分?jǐn)D出去，但體積又不能縮小，要補充氣體進(jìn)去，所以比較難。”沈軍說。
只要是讓凝膠中的液體被氣體取代，同時凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，得到的材料都成為氣凝膠。氣凝膠的種類有很多、有硅系、碳系、硫系、金屬氧化系列等等。
處于絕熱材料市場金字塔塔尖
沈軍介紹說， 1931年，美國斯坦福大學(xué)Kistler通過水解水玻璃首次制備得到氣凝膠。但由于工藝復(fù)雜及成本太高，氣凝膠在問世后并沒有引起足夠重視。上世紀(jì)80年代，歐洲的一些物理學(xué)家開始注意到這種新材料并開始研究。1985年，德國維爾茨堡大學(xué)物理所組織召開首屆“氣凝膠國際研討會”。到上世紀(jì)90年代初，美國人又重新進(jìn)入氣凝膠的研究。1993年，氣凝膠被應(yīng)用到宇航服、太空飛船、航天飛機(jī)等。
由德國資助成立的同濟(jì)大學(xué)波爾固體物理研究所早在1991年就將氣凝膠確定為研究方向之一。由于與德國關(guān)系緊密，該實驗室得以迅速獲得氣凝膠制備技術(shù)?！拔覀冊诙虝r間內(nèi)迅速達(dá)到了國際先進(jìn)水平?！鄙蜍娬f。
彼時的小范圍應(yīng)用主要集中在核物理領(lǐng)域。沈軍說，到2000年左右，由于居高不下的成本及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難以取得技術(shù)突破，氣凝膠始終沒有作為一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來。近幾年，由于能源需求緊張、全球生態(tài)環(huán)境惡化等原因，學(xué)界和業(yè)界又開始攻關(guān)氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化。
“直到2013年左右，這個產(chǎn)業(yè)才算發(fā)展起來，目前比較領(lǐng)先的是美國和中國。”沈軍說。美國氣凝膠主要應(yīng)用于航天、石油化工等領(lǐng)域，同時逐步進(jìn)入消費品市場。我國的氣凝膠現(xiàn)在主要用于高鐵、油田等行業(yè)。
Allied市場研究公司2014年6月發(fā)布的報告稱，全球氣凝膠的市場價值在2013年2.218億美元，估計到2020年可達(dá)18.966億美元，在預(yù)測期內(nèi)（從2014—2020）的年復(fù)合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應(yīng)用領(lǐng)域探索的持續(xù)進(jìn)步，市場預(yù)計，隨著時間的推移市場增長的動力會進(jìn)一步增強(qiáng)。
另一研究報告稱，2010年，全球絕熱材料市場估計規(guī)模為321億美元，未來年增長率為 6.3%，到2019年可達(dá)556億美元。其中工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域約占總份額三分之一，建筑領(lǐng)域占總分額的三分之二。
氣凝膠材料占據(jù)了整個絕熱材料市場金字塔模型的塔尖部分，目前在整個絕熱材料市場中的規(guī)模幾乎是微不足道的，這一方面說明氣凝膠產(chǎn)業(yè)仍然處于早期起步階段，同時又預(yù)示著其未來巨大的發(fā)展空間。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中
“此前制約氣凝膠市場拓展的最大障礙是高昂的價格，一旦氣凝膠材料的生產(chǎn)成本得以顯著下降，市場規(guī)模就會急劇擴(kuò)大，產(chǎn)品銷量也會迅速擴(kuò)大，并將革命性地替代傳統(tǒng)絕熱材料?！睈郾藧酆透笨偨?jīng)理董海兵告訴科技日報記者。
愛彼愛和在過去近10年時間里，致力于改進(jìn)氣凝膠的制備工藝，降低成本，使其可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、成本大幅降低，使氣凝膠成為普通工業(yè)和民用領(lǐng)域用得起的“超級絕熱材料”。
該公司做的實驗顯示，在1000多攝氏度的高溫噴槍加熱下，傳統(tǒng)有機(jī)類保溫材料幾秒內(nèi)迅速燃燒殆盡，同樣厚度的傳統(tǒng)無機(jī)保溫材料也在不到1分鐘的時間內(nèi)被燒穿，但該公司的氣凝膠板材則在40分鐘后才被擊穿。除了較好的防火性，在達(dá)到相同保溫效果下，氣凝膠只需要傳統(tǒng)無機(jī)材料的1/3—1/4厚度。
“雖然氣凝膠產(chǎn)品單價比傳統(tǒng)保溫材料高，但綜合考慮使用壽命、施工費用等，使用氣凝膠的成本更低。”董海兵說。
沈軍則透露，他的團(tuán)隊在剛結(jié)題的科技支撐項目中，研究了硅氣凝膠在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用，包括產(chǎn)品標(biāo)注、施工規(guī)范等等?！皻饽z在該領(lǐng)域應(yīng)該會很快推廣。”
此外，在交通運輸、熱網(wǎng)管道建設(shè)、石油石化等行業(yè)，氣凝膠的應(yīng)用也越來越廣泛?！半妱悠嚨陌踩[患主要來自鋰電池內(nèi)電解液的燃燒甚至爆炸，如果讓電池穿上氣凝膠衣服，安全系數(shù)會極大提高；氧化鈦氣凝膠可以隔絕紅外線、紫外線，分解甲醛，可用于制造可重復(fù)使用的口罩、空氣凈化濾芯等?！倍１鴪孕?，氣凝膠將成為一個大產(chǎn)業(yè)。
董海兵希望國家能出臺相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)，推動這個剛剛興起的產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展。對此，沈軍表示：“目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)一些假的氣凝膠了，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)確實亟須落實。南京玻璃纖維研究設(shè)計院目前正在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范等等，今年底應(yīng)該能出臺?！?/p>
