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隔热防火领域的新材料——气凝胶

发布时间:2023-02-20 10:27   来源:隆众资讯  责任编辑:毕雁飞

气凝胶是一种性能优良、应用广泛的纳米级多孔固态材料,在新能源、石油化工、工业隔热、建筑建造等领域具有广泛应用场景,具有低热导率、低折射率、低声阻抗等多种优异性能。

气凝胶的产品分类

气凝胶种类多样,发展至今已由单一组分的SiO2气凝胶形成了包括氧化物气凝胶、有机气凝胶、碳气凝胶、复合气凝胶在内的多种类型。其中SiO2气凝胶是最早制得,同时也是目前研究时间最长、溶胶-凝胶机理最为成熟、制备工艺最为完善的气凝胶。据统计,2021年全球气凝胶市场规模为8.35亿美元中,其中SiO2气凝胶占比近7成。

1 气凝胶主要产品分类

image.png

资料来源:《气凝胶材料及其应用》

气凝胶被应用于各行各业,不同产品具备不同的特性并用于不同的应用场景。

2 不同气凝胶优缺点及应用场景

气凝胶分类

优点

缺点

应用

SiO2气凝胶

密度低、比表面积高、孔隙率可达99%以上

高度脆性及易碎性、生产成本目前偏高

主要用于诸多领域的隔热、吸附

Al2O3气凝胶

熔点高于2000℃、具备高温热稳定性的同时具备良好的保温隔热效果

金属铝醇盐对水具有高的反应活性,因而很难控制其缩聚反应进程

用作高压绝缘材料、高速或低速集成电路衬底材料、真空电极隔离介质以及超级电容器

ZrO2气凝胶

高熔点、耐超高温性能

生产成本高

高温绝热材料、高温催化剂及吸附剂

V2O5气凝胶

比电容高、比表面积大

低电导率、离子扩散性能差

用于锂离子电池阴极材料以及超级电容器电极材料的研究

碳气凝胶

更高的孔隙率及比表面积、密度变化范围更广且拥有很高的电导率

应用较少,工艺少见

主要应用于高温隔热、保温材料方面

资料来源:《气凝胶材料的研究进展》、《气凝胶材料及其应用》

 

气凝胶的应用场景

气凝胶制品主要包括气凝胶毡、气凝胶纸、气凝胶布、气凝胶板材、气凝胶粉末等,下游应用场景广泛,涉及石油化工、建筑建造、到工业隔热、交通等领域,其中石油化工为最大应用领域,消费占比达到56%,其次应用于工业隔热,占比为18%。在新能源领域,气凝胶则主要应用于动力电池电芯之间的隔热阻燃、模组与壳体之间的隔热防震层、电池箱的外部防寒层和高温隔热层等。未来随着气凝胶技术的进步,应用场景十分广阔,是具备成长空间的大赛道和大单品。

1 气凝胶消费结构

image.png

资料来源:IDTechEx

其中,气凝胶毡是气凝胶终端的产品形态。气凝胶毡是指使用纤维增强法以改善气凝胶脆性、增强力学性能制备而成的气凝胶复合材料。其原理是将纤维作为支撑骨架,支撑具有纳米孔结构的气凝胶,使制得的复合材料更适用于多领域的应用。制备气凝胶毡最简单的方法是将短纤维(后来发展到预制纤维毡)在凝胶之前加入到溶胶中,使得两者能够充分结合以生成复合材料。制备使用的纤维分两大类:一类是有机纤维(聚丙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维等);另一类是无机纤维(硅酸铝纤维、陶瓷微纤维和玻璃纤维等)。各种研究表明使用纤维增强制备气凝胶复合材料可以加强气凝胶的力学性能,使二氧化硅气凝胶的实用性进一步增强。目前市场上尤其以二氧化硅气凝胶毡应用最为广泛,纳诺科技、爱彼爱和等公司正在致力于气凝胶毡的研发与市场推广。

气凝胶毡可制成多类复合产品,应用于新能源汽车电芯模组、PACK及整车的防火隔热系统等。

3 气凝胶制品及其功能

气凝胶制品

应用部位

功能

气凝胶隔热垫

电芯间、模组间

以气凝胶毡作为防火隔热芯材,用薄膜或涂层封装,兼具缓冲功能的复合产品。可装配于电芯间及模组间,有效阻隔热扩散。

膨胀型防火涂料

铝制PACK等

双组份无溶剂型环氧防火涂料,涂刷于异型基材表面,遇火时涂层发泡膨胀并碳化形成隔热耐火层,可应用于铝制 PACK 等部位提高其耐火性能。

气凝胶防火毯

模组PACK、车身底板部位

以气凝胶毡作为防火隔热层,使用玻纤布等贴面复合,可大面积使用的防火隔热产品。产品可用于模组 PACK 及车身底板部位,延缓电池火焰蔓延,保护人员安全。

防火绝缘复合带

模组外侧

以陶瓷化硅橡胶与玻纤布复合而成的耐高温防火绝缘材料,可应用于模组外侧,解决电池组高温下绝缘失效问题。

气凝胶泡棉

车载电子、电池组等

以气凝胶与有机材料复合而成的弹性泡棉材料,产品隔热性能突出、轻薄有弹性,可应用于消费电子、车载电子、电池组等部位进行隔热或保温。

资料来源:爱彼爱和

气凝胶企业与工艺

2021年,国内气凝胶产量达到75万立方米,约合15万吨,其中主要生产企业包括江西晨光新材料股份有限公司、江西宏柏新材料股份有限公司、江苏泛亚微透科技股份有限公司、纳诺科技有限公司、贵州航天乌江机电设备有限责任公司、爱彼爱和新材料有限公司等,同时在规划企业众多,包括晨光新材(规划产能约33.5万立方米)、宏柏新材(规划产能1万立方米)、中国化学(规划产能25万立方米)、江瀚新材(规划产能1万立方米)等。

气凝胶的生产制备主要分为两步:第一步通过溶胶-凝胶过程制得凝胶;第二步通过一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态从而制得气凝胶。溶胶-凝胶过程是制备气凝胶最核心的过程,它通常是指前驱体在催化剂(酸或碱)的作用下进行水解缩聚反应后形成溶胶,进而通过老化形成凝胶的过程。通过改变前驱体种类、催化剂浓度、体系温度及pH等参数,可实现对凝胶骨架微观结构的调控。而材料的结构往往决定其所具有的功能,因而通过调节溶胶凝胶参数可制得具有特定功能的气凝胶。

干燥方法分为常压干燥法和超临界干燥法。其中,超临界CO2干燥法工艺较为成熟,工艺包完善,为市面上较多采用的气凝胶生产工艺,如爱彼爱和、晨光新材、宏柏新材等。常压干燥是常见的干燥方法中操作简单经济的方法,可降低气凝胶的生产成本,但是工艺难度较大,目前纳诺科技等采用此方法。气凝胶毡是气凝胶终端的产品形态,是指使用纤维增强法以改善气凝胶脆性、增强力学性能制备的气凝胶复合材料,在实际应用时气凝胶制品以胶毡形态使用。

超临界干燥法

超临界干燥法是最早提出、应用最为广泛的干燥方法。它是指将干燥溶剂的温度、压强均提升至其超临界点以上,从而消除凝胶孔洞内的气液界面,是对样品进行干燥的方法。为了避免溶剂的蒸发,在超临界干燥前会预先向高压釜内充入一定量的N2,从而达到预增压的效果。通常被用于超临界干燥的试剂包含以乙醇为代表的有机溶剂与液态CO2两类,与有机溶剂相比,选用液态CO2作干燥介质操作更为安全,同时较低的超临界温度及压力会使凝胶骨架在干燥过程中基本保持不变,凝胶表面的化学基团也会相对稳定存在,但CO2超临界干燥存在漫长的溶剂替换过程,同时要求被替换的溶剂能够与液态CO2互溶,因此时间成本较高。但是超临界CO2干燥法工艺较为成熟,工艺包完善,为市面上较多采用的气凝胶生产工艺,如爱彼爱和、晨光新材、宏柏新材等公司均采用此方法。

常压干燥法

常压干燥不需要超临界干燥所使用的高压釜,但需要漫长的溶剂替换过程,从而避免在干燥过程中凝胶吸水以及气液界面张力对凝胶骨架造成破坏。通常在进行常压干燥前需要将凝胶内的溶剂替换为表面张力较小的试剂,之后对凝胶表面进行修饰处理,即将凝胶表面亲水的羟基替换为疏水的甲基,最后再进行干燥。相对于超临界干燥而言,常压干燥在保持气凝胶微观结构的同时也有效地降低了干燥过程是的危险性,是4种常见的干燥方法中操作最简单、使用最经济的方法。常压干燥工艺可降低气凝胶的生产成本,但是工艺难度较大。

 

气凝胶的未来发展方向

一、气凝胶在动力电池及整车的新型防火隔热材料方面,有望加速渗透

气凝胶毡可制成各类复合产品,用于新能源车动力电池及整车的防火隔热系统。随着新能源汽车产业的快速发展,动力电池的热安全问题引起相关部门的关注:高温、过充、内短路以及机械破坏均可能引发动力电池组的热失控,造成火灾,威胁驾乘人员的安全。2020年年5月月,工信部发布的《电动汽车用动力蓄电池安全要求》提出:电池单体发生热失控后,电池系统需在在5分钟内不起火,为乘员安全逃生提供时间。电池厂、主机厂一般在电芯之间、模组和PACK的上盖使用防火隔热材料,从而延缓或者阻止电池组热扩散以及火焰的蔓延。目前常用的防火隔热材料包括:玻璃纤维棉、硅酸铝棉、复合隔热板等。然而传统防火隔热材料存在导热系数高、厚度大、防火防水性能一般、保温性能衰减快等缺陷。根据中国科学技术大学论文《二氧化硅气凝胶及其在保温隔热领域应用进展》:相较于传统保温材料,二氧化硅气凝胶只需需1/5-1/3的厚度即可达到同等的隔热效果,为动力电池及整车节省更多空间。目前,河南爱彼爱和新材料有限公司的气凝胶隔热垫、气凝胶防火毯、防火涂料、防火绝缘复合带等气凝胶系列产品已构建起电芯模组、PACK及整车级别的立体式防火隔热系统,以使电动汽车满足GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中的热扩散防护标准。

二、气凝胶在传统的建筑保温材料方面,替代市场广阔

传统的建筑保温材料是千亿级市场,气凝胶制品凭借优异的性能、轻薄的结构有望加速替代。在办公室、洁净室、冷库、工厂、家庭取暖制冷等场合,日常需要耗费大量电能来维持建筑内特定的温度,使之达到相应的使用条件。因此在建筑的内外墙使用保温隔热材料,可减少建筑内部空间与外界温差而造成的能量损失,有利于节能、降耗。据西安市建筑节能协会数据,2021年我国外墙保温材料的市场规到模已达到1718.70亿元,2015-2021年的年均复合增速高达20%。相较于传统的墙体保温材料,气凝胶制品具备性能好、厚度薄、节省建筑空间等优势。据论文《SiO2气凝胶纤维复合材料制备及其在建筑节能领域应用的进展》,相较于传统的墙体保温材料(聚氨酯发泡板、岩棉板、石膏保温砂浆、玻化微珠保温砂浆等),气凝胶复合产品的导热系数与燃烧等级均占优势,为达到同样的建筑节能设计标准,传统的建筑保温材料用需使用40-50mm,而气凝胶毡/板保温层仅需需15-25mm,因此使用气凝胶制品可使保温材料在建筑空间中的占比减少约约50%。

三、气凝胶可有效减少管道输送中的热量损失,市场潜力大

近年来,气凝胶毡作为一种新型绝热材料广泛应用于石化行业油气传输、蒸汽管道和工艺管道上,可有效保护管道介质在输送过程中热量的损失。目前,用于管道保温的材料主要有硅酸钙、复合硅酸盐、岩棉等。这些保温材料的导热系数会随着环境温度和湿度的上升而产生较大幅度的增大。为满足不超过规定的最大允许热损失量的要求,就需要增加保温材料的厚度。使用较厚的保温层,对材料的运输、施工、使用空间等都会造成较大影响。因此,采用技术先进、高效保温的材料对热力管道进行节能技术改造,减薄保温层厚度,降低管线热损失,是热力管道节能保温的重要攻克领域。气凝胶的孔径尺寸低于常压下空气分子平均自由程,可使气凝胶孔隙中空气分子近似静止,避免了空气的对流传热,气凝胶很低的体积密度及纳米网络结构的弯曲路径也阻止了气态和固态热传导,趋于“无穷多”的空隙壁可以使热辐射降至最低。通过三方面共同作用,几乎阻断了热传递的途径,使气凝胶达到十分出众的绝热效果,甚至远低于常温下静态空气0.025W/(m·K)的导热系数,达到0.013W/(m·K)以下。对比传统保温材料,二氧化硅气凝胶绝热毡导热系数仅为传统保温材料的1/3~1/5,保温隔热能力是传统材料的2~8倍;具有优异的防火性及防水性,具备较好的抗拉、抗压能力及化学稳定性。根据论文《二氧化硅气凝胶绝热毡的应用及性能分析》,中国石化塔河炼化的常压焦化装置使用传统的III型高温玻璃棉毡保温材料,后续管道保温结构改造采用二氧化硅气凝胶保温毛毡+单面铝箔玻纤布保温材料组合保温的方式,论文通过对高温管道改造前后对比分析计算表明:(1)采用二氧化硅气凝胶绝热毡新型保温材料后,热损失降低了34.66%,节能效果明显;(2)二氧化硅气凝胶绝热毡作为新型保温材料,其保温性能明显优于传统保温材料,突出表现为热力管道起终点温差明显低于传统保温材料,保温层厚度较传统保温材料降低50%以上。因此,二氧化硅气凝胶绝热毡作为新型保温材料,具有防火隔热、防水、超低导热系数等性能,且使用寿命长,是炼油企业高温管道的理想选择。


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