金承黎

三、氣凝膠主要產(chǎn)品形態(tài)及納米微孔絕熱材料

1.氣凝膠超級絕熱原理

如前所述，討論的焦點(diǎn)是二氧化硅氣凝膠及其作為超級絕熱材料的應(yīng)用。氣凝膠何以成為超級絕熱材料？先來看看氣凝膠的超級絕熱原理，熱量有3種基本傳遞方式：傳導(dǎo)、對流和輻射（如圖10所示）。

對于保溫材料而言，熱傳導(dǎo)主要由保溫材料中的固體部分來完成；熱對流則主要由保溫材料中的氣體來完成；熱輻射的傳遞不需要任何介質(zhì)。

1992年，美國召開的國際材料工程大會上提出了超級絕熱材料的概念，指在預(yù)定的使用條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)低于“對流空氣”導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱材料。通過對比（見圖11），具有納米孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠就是典型超級絕熱材料。

氣凝膠的超級絕熱性能基于以下原理：“無窮長路徑”效應(yīng)：由于近于無窮多納米孔的存在，熱流在固體中傳遞時就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮長路徑”效應(yīng)，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。

“零對流”效應(yīng)：當(dāng)氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時，氣孔內(nèi)的空氣分子就失去了自由流動的能力，相對地附著在氣孔壁上，這時材料處于近似真空狀態(tài)，即產(chǎn)生“零對流”效應(yīng)。

“無窮多遮熱板”的效應(yīng)：由于材料內(nèi)的氣孔均為納米級氣孔再加材料本身極低的體積密度，使材料內(nèi)部氣孔壁數(shù)目趨于“無窮多”，對于每一個氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產(chǎn)生近于“無窮多遮熱板”的效應(yīng)，從而使輻射傳熱下降到近乎最低極限。不過在400℃以上高溫下使用時，仍然需要加入遮光劑來增強(qiáng)氣凝膠對高溫紅外線的輻射的抵抗。

2.氣凝膠主要產(chǎn)品及應(yīng)用

當(dāng)前氣凝膠的產(chǎn)品形態(tài)主要有保溫氣凝膠氈、板、布、紙、顆粒、粉末和異形件等（如圖12）。氣凝膠氈、板、布、紙和異形件，都是氣凝膠與相應(yīng)產(chǎn)品形態(tài)的纖維復(fù)合所得產(chǎn)品，基本的技術(shù)工藝是類似的，但是產(chǎn)品應(yīng)用有較大的區(qū)別。

氣凝膠氈是當(dāng)前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的氣凝膠產(chǎn)品，美國的某氣凝膠企業(yè)更是挑明了只生產(chǎn)氣凝膠氈。筆者前文提及的航天軍工、石油化工、冶金建材、冰箱冷庫等所有氣凝膠應(yīng)用領(lǐng)域都可以采用氣凝膠氈。氣凝膠布、紙和異形件主要用于一些特殊需要領(lǐng)域。如氣凝膠布主要應(yīng)用于服裝鞋帽領(lǐng)域，氣凝膠紙（薄氈）主要應(yīng)用于熱電池和一些空間極小、管徑極細(xì)或希望纏繞施工的領(lǐng)域，氣凝膠異形件基本上用于軍工和制作可拆卸保溫套。氣凝膠板與氣凝膠氈的一個主要區(qū)別是硬度的不同，“氈”有柔韌性可卷曲，“板”有一定的剛度，不易彎曲。氣凝膠板的主要應(yīng)用是大型設(shè)備保溫以及未來的建筑節(jié)能內(nèi)外墻的保溫。對氣凝膠板而言，當(dāng)前一個挑戰(zhàn)就是厚度，客戶往往希望可以達(dá)到5～10cm的厚度，而目前氣凝膠板產(chǎn)品最大厚度僅為1cm。

以上氣凝膠產(chǎn)品共同面臨的一個問題就是產(chǎn)品表面粉塵，也是氣凝膠產(chǎn)品除了高成本外的又一痛點(diǎn)，美國 ASPEN公司產(chǎn)品對該問題已經(jīng)有顯著改善，國內(nèi)目前還沒有無塵產(chǎn)品上市，但應(yīng)該很快也會攻克。

氣凝膠顆粒目前主要應(yīng)用是利用氣凝膠透明性，填充在PC板或者中空玻璃中做采光隔熱板，雖有一定市場應(yīng)用但是規(guī)模較小。氣凝膠粉末是最初級也是生產(chǎn)最容易、成本最低的產(chǎn)品（納米材料大部分都是粉體，就是因?yàn)榧{米粉體制備工藝相對簡單），氣凝膠產(chǎn)業(yè)化歷史應(yīng)該也是從粉體開始的，不過遺憾的是迄今為止，尚沒有為氣凝膠粉體找到有實(shí)質(zhì)意義的批量應(yīng)用。韓國JIOS公司（JIOS Aerogel Corporation）將氣凝膠粉體定位為主要產(chǎn)品，目標(biāo)市場是氣凝膠涂料，并積極布局中國市場。

除了以上產(chǎn)品，還有2類氣凝膠產(chǎn)品在業(yè)內(nèi)受到較多的關(guān)注，即氣凝膠真空板（VIP）和氣凝膠涂料。

先介紹氣凝膠真空板。首先，需要說明氣凝膠真空板性能確實(shí)是非常優(yōu)異的，最低可達(dá)0.002W/（m·K）。實(shí)際上普通玻璃纖維做芯材的真空板也能達(dá)到導(dǎo)熱系數(shù)0.004W/（m·K），用氣凝膠做芯材要么大材小用，要么只是噱頭。最為本質(zhì)的問題是真空板漏氣不可避免，只是時間問題，如果用于壽命10年的家電行業(yè)，勉強(qiáng)說得過去，如果用在使用壽命70年建筑領(lǐng)域，對于鋁塑真空封裝的真空板要做到與建筑同壽命，不論是理論上還是工程數(shù)據(jù)尚不能令人信服。即便可以不漏氣，但不透氣的真空板怎么避免濕氣結(jié)露，不能釘、不能鉚的真空板怎么確保不會出現(xiàn)保溫層大面積脫落？這些都是實(shí)實(shí)在在的硬傷。

再介紹氣凝膠涂料。涂料是傳統(tǒng)保溫材料里非常重要的一類產(chǎn)品，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用，自從氣凝膠誕生以來，對氣凝膠涂料的呼喚就沒停過，近年來這種呼喚似乎更甚。前不久美國的卡博特公司（Cabot Corporation）推出了氣凝膠砂漿和涂料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.035W/（m·K），韓國JIOS公司開發(fā)的氣凝膠涂料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.045W/（m·K）。國內(nèi)公司也有開發(fā)氣凝膠涂料的，指標(biāo)基本上在0.035～0.060W/（m·K）之間。筆者認(rèn)為，氣凝膠涂料目前的性能指標(biāo)與傳統(tǒng)保溫涂料在性價比上尚無競爭力可言。為什么當(dāng)前的氣凝膠涂料并沒有顯示出氣凝膠應(yīng)有的優(yōu)異特性呢？這其實(shí)與氣凝膠的納米孔結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。氣凝膠因納米孔結(jié)構(gòu)而擁有眾多神奇性能，也因納米孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在涂料應(yīng)用開發(fā)方面舉步維艱。氣凝膠是納米開孔結(jié)構(gòu)，配制氣凝膠涂料不可避免會導(dǎo)致氣凝膠與液態(tài)介質(zhì)混合，不論是水性試劑還是油性試劑，都很難避免氣凝膠孔洞內(nèi)液體浸入后產(chǎn)生如前所述的毛細(xì)管力，從而使納米多孔結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而嚴(yán)重?fù)p害，乃至完全喪失絕熱性能。氣凝膠涂料第2大難以跨越的門檻是氣凝膠作為比空氣導(dǎo)熱系數(shù)還要低的超級絕熱材料，當(dāng)呈粉狀分散在涂料中，即氣凝膠成為分散相，也就是一個個孤島，熱量會繞過這些孤島繼續(xù)傳遞，故而難以制備出與氣凝膠本身優(yōu)異絕熱性能相匹配的涂料來。

（2）第2步：“走出去”

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，當(dāng)氣凝膠行業(yè)在國內(nèi)站穩(wěn)腳跟后，走出去就是一個必然的選擇。筆者建議在走出去前，先做好充分準(zhǔn)備，特別是知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)先布局。中國當(dāng)前市場足夠大，足以培育出數(shù)家未來可能沖擊世界一流的氣凝膠企業(yè)，也是一個練兵的絕佳場地，從中國企業(yè)發(fā)展歷史表明，那些在國內(nèi)競爭脫穎而出的優(yōu)秀企業(yè)，海外運(yùn)營也往往表現(xiàn)不錯，聯(lián)想集團(tuán)、海爾集團(tuán)、華為技術(shù)有限公司都是如此。當(dāng)然也可以先做海外市場再做國內(nèi)市場，前提是你的海外市場渠道夠硬夠廣，而且你在海外擁有足夠份量專利為你產(chǎn)品護(hù)航。

（3）第3步：“平臺化”

國內(nèi)氣凝膠行業(yè)里的領(lǐng)先企業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)成為大型產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，企業(yè)自身呈平臺化發(fā)展的特點(diǎn)，也可稱為依托于近似核心技術(shù)平臺的有限多元化，類似目前杜邦公司、3M公司和巴斯夫集團(tuán)等企業(yè)。盡管企業(yè)主業(yè)可能還是二氧化硅氣凝膠，主要用途可能還是超級絕熱材料，但是其他氧化鋁氣凝膠、氧化鈦氣凝膠、碳?xì)饽z等也獲得了產(chǎn)業(yè)化，氣凝膠的批量應(yīng)用領(lǐng)域也得到很大擴(kuò)展，吸附催化、吸音隔音、絕緣、防爆、激光靶材、儲能、海水淡化、分形研究、藥物緩釋、高強(qiáng)體育器材乃至一些現(xiàn)在還未可知的應(yīng)用等等，人們提到氣凝膠的時候，更多的注意到其納米孔結(jié)構(gòu)，不再簡單視為是一種保溫材料，甚至如國內(nèi)學(xué)者提出的，氣凝膠成為類似于固體、液體、氣體、等離子體的第5種物質(zhì)形態(tài)。

同樣需要說明的是，氣凝膠材料用途眾多，如果國內(nèi)氣凝膠企業(yè)根據(jù)自身情況，現(xiàn)在就進(jìn)入非二氧化硅氣凝膠產(chǎn)業(yè)化，或氣凝膠非超級隔熱用途的應(yīng)用開發(fā)，筆者認(rèn)為都是可行的。以上，僅僅是筆者從氣凝膠企業(yè)從業(yè)人員的角度對當(dāng)前中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)的思考，國內(nèi)氣凝膠行業(yè)資源如何整合，如何制定和實(shí)施持續(xù)創(chuàng)新的知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，是否成立產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟等重大議題均未涉及，歡迎氣凝膠業(yè)內(nèi)同仁、學(xué)術(shù)界、政府人員、投資界等各領(lǐng)域相關(guān)人員對氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻(xiàn)計獻(xiàn)策。

參考文獻(xiàn)

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