氣凝膠(應(yīng)用).doc

世界上第一個氣凝膠產(chǎn)品是1931年制備出的。當(dāng)時，美國加州太平洋大學(xué)(CollegeofthePacific)的Steven.S.Kistler提出要證明一種具有相同尺寸的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固體“凝膠”，其形狀與濕凝膠一致。證明這種設(shè)想的簡單方法，是從濕凝膠中驅(qū)除液體而不破壞固體形狀。如按照通常的技術(shù)路線，很難做到這一點。如果只是簡單地讓濕凝膠干燥，凝膠將會收縮，常常是原來的形狀破壞，破裂成小碎片。也就是說，這種收縮經(jīng)常是伴隨著凝膠的嚴(yán)重破裂。Kistler推測:凝膠的固體構(gòu)成是多微孔的，液體蒸發(fā)時的液一氣界面存在較大的表面張力，該表面張力使孔道坍塌。此后，Kistler發(fā)現(xiàn)了氣凝膠制備的關(guān)鍵技術(shù)(Kistler,1932)。Kistler研究的第一個凝膠是通過硅酸鈉的酸性溶液濃縮制備的SiOZ凝膠。然而，他試圖通過把凝膠中的水轉(zhuǎn)變成超臨界流體的方式來制備氣凝膠卻沒有成功。Kistler再嘗試首先用水充分洗滌二氧化硅凝膠(從凝膠中去掉鹽)，然后用乙醇交換水，通過把乙醇變成超臨界流體并使它跑掉，第一個真正的氣凝膠形成了。Kistler的氣凝膠與現(xiàn)在制備的二氧化硅氣凝膠類似，是具有相當(dāng)大的理論研究價值的透明、低密度、多孔材料。在之后的幾年時間里，Kistler詳盡地表征了他的二氧化硅氣凝膠的特性，并制備了許多有研究價值的其它物質(zhì)的氣凝膠材料，包括:A1203,W03,Fe203,Sn02、酒石酸鎳、纖維素、纖維素硝酸鹽、明膠、瓊脂、蛋白、橡膠等氣凝膠。后來，Kistler離開了太平洋大學(xué)，到Monsanto公司供職。Monsanto公司很快就開始生產(chǎn)商品化的氣凝膠產(chǎn)品，Monsanto公司的產(chǎn)品是粒狀的Si02材料，雖然其生產(chǎn)工藝無人知曉，但人們推斷應(yīng)當(dāng)是Kistler的方法。Monsanto公司的氣凝膠當(dāng)時是被用來作化妝品及牙膏中的添加劑或觸變劑。在以后的近30年中，有關(guān)氣凝膠的研究幾乎沒有什么進(jìn)展。直到20世紀(jì)60年代，隨著價格便宜的“煙霧狀的(fumed)”Si02的研制開發(fā)，氣凝膠的市場開始萎縮，Monsant。公司停止了氣凝膠的生產(chǎn)。從此，氣凝膠在很大程度上被人淡忘了。直到20世紀(jì)70年代后期，法國政府向ClaudBernard大學(xué)的Teichner教授尋求一種能儲存氧氣及火箭燃料的多孔材料。之后所發(fā)生的事情，在從事氣凝膠研究的人員中有一種傳說。Teichner讓他的一個研究生來制備氣凝膠并研究其應(yīng)用，然而，使用Kistler的方法，包括兩個耗時、費力的溶劑萃取步驟，他們的第一個氣凝膠花了數(shù)周時間才制備出來。然后，Teichner告訴這個學(xué)生，要完成他的學(xué)位論文，將需要大量的氣凝膠樣品;該學(xué)生意識到，如按照Kistler的方法制備，這要花許多年才能完成，他精神崩潰地離開了Teichner的實驗室;經(jīng)過一段短暫地休息、思考，他又回到了實驗室，有一種強烈的動機，激發(fā)他去尋找一種更好的Si02氣凝膠的合成工藝。經(jīng)過不懈地努力探索，該學(xué)生成功地應(yīng)用溶膠一凝膠化學(xué)法制備出Si02氣凝膠，這使氣凝膠科學(xué)研究前進(jìn)了一大步。這種方法用正硅酸甲酷(TMOS)代替Kistler所使用的硅酸鈉，在甲醇溶液中通過TMOS水解一步產(chǎn)生凝膠(稱為“醇凝膠”)，這消除了Kistler方法中的兩個缺點，即醇水替換步驟及凝膠中存在無機鹽，在超臨界甲醇條件下干燥這些醇凝膠，就制備出高質(zhì)量的Si02氣凝膠。后來，Teichner的研究組及其他人使這種方法擴展，制備了多種金屬氧化物氣凝膠產(chǎn)品。目前，氣凝膠的研制主要集中在德國的BASF公司、DESY公司，美國的勞侖茲利物莫爾國家實驗室(LLNL)、桑迪亞國家實驗室(SNL)，法國的蒙彼利埃材料研究中心，瑞典的LUND公司以及美國、德國、日本的一些高等院校。在國內(nèi)，SiO2氣凝膠的制備及其特性研究九十年代才開始起步(陳龍武等，1995)。國內(nèi)的主要研發(fā)及生產(chǎn)氣凝膠的企業(yè)：埃力生、金納、納諾、烏江等，當(dāng)然中國市場還有阿斯彭這樣的純外資企業(yè)，只是國內(nèi)沒有生產(chǎn)。 二氧化硅氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域氣凝膠材料在輸熱管道方面的應(yīng)用輸熱管道保溫的現(xiàn)狀現(xiàn)在的工業(yè)輸送供熱管道，管道內(nèi)溫度從幾十度至5,600度都有。這些管道的保溫工程廣泛使用硅酸鋁鎂質(zhì)材料，玻璃纖維類材料。約30年前，保溫工程還幾乎都只是采用巖棉，礦物棉類材料，到現(xiàn)在，巖棉保溫在工業(yè)保溫工程中，已被淘汰。在施工性能，防水性能等方面都差別不大的情況下，被淘汰的主要原因就是導(dǎo)熱系數(shù)的差距。以下為主要幾種材料在不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)mw/mk25100 200 400 氣凝膠18212534硅酸鋁375572110玻璃纖維425070不可用巖棉557092140發(fā)泡材料36不可用不可用不可用現(xiàn)在我國的保溫工程的問題：保溫結(jié)構(gòu)不合理、保溫厚度不規(guī)范、保溫施工不到位。易變形、沉降，熱穩(wěn)定性差，破損率大，后期保溫效果差，無法滿足工藝要求。保溫效果差且下降明顯，導(dǎo)致保溫工程維護(hù)成本提升，設(shè)備運行費用增加。使用壽命基本只有35年，到期需全部更換。不完全防水，易吸水吸潮腐蝕管道。對于超過100度的較高溫度的管道，保溫層至少需要200mm厚度，管道線熱流密度高，熱能損失大。氣凝膠材料帶來的好處：隔熱效果是傳統(tǒng)隔熱材料2-5倍，高溫下優(yōu)勢更明顯，而且壽命更長。材料整體憎水，可有效防止水分進(jìn)入管道、設(shè)備內(nèi)部，同時具有A1級防火性能。質(zhì)輕，容易裁剪、縫制以適應(yīng)各種不同形狀的管道、設(shè)備保溫，且安裝所需時間及人力更少。更少的包裹體積及更輕的重量可大大降低保溫材料的運輸成本。對設(shè)備進(jìn)行保溫的同時，還可以起到吸聲降噪、緩沖震動等功能，提高環(huán)境質(zhì)量，保護(hù)設(shè)備。僅需1/2至1/5的厚度即可達(dá)到傳統(tǒng)材料相同的隔熱效果，熱損失非常小，空間利用率高。氣凝膠復(fù)合保溫材料與現(xiàn)流行的保溫材料具體性能對比：氣凝膠復(fù)合保溫氈傳統(tǒng)保溫材料復(fù)合硅酸鹽巖棉導(dǎo)熱系數(shù)，（常溫）183655350下導(dǎo)熱系數(shù)30110130350下保溫厚度30mm100mm110mm容重，kg/m3200120-150100-120防水性憎水率99%，無需特殊防水措施不完全防水，易吸水吸潮腐蝕管道，防護(hù)板表面需噴涂金屬密封膠進(jìn)行防水三通、閥門等保溫可拆卸保溫套，保溫效果好，使用方便填充方式或保溫盒保溫，保溫效果差使用壽命10年35年整體性好，具有較好的抗震抗拉性，在使用過程中不出現(xiàn)顆粒堆積、沉降等現(xiàn)象材料結(jié)構(gòu)松散，自重、設(shè)備振動、材料進(jìn)水等極易導(dǎo)致材料解體、沉降，保溫效果明顯下降，熱損失嚴(yán)重超標(biāo)。其 他使用厚度小，可減少管道保溫厚度，減少蒸汽管道間距，減少廠房面積或管廊大小。保溫層厚，搭接處容易存在縫隙，較高的膨脹收縮系數(shù)易致使縫隙成為熱橋，振動后更明顯，熱損失大。氣凝膠復(fù)合保溫材料與現(xiàn)流行的保溫材料的經(jīng)濟(jì)效益對比：（以1km，100mm直徑，供熱溫度300度管道為例計算）氣凝膠復(fù)合保溫氈復(fù)合硅酸鹽氈預(yù)計表面溫度（）3535保溫材料厚度mm120300保溫層總體積m383377主要材料費用（萬元）8545施工費及輔材費（萬元）1120管道線熱流密度（W/m）130300熱損失比13損失總熱能(%)3%10%實際應(yīng)用過程中，復(fù)合硅酸鹽氈在使用2、3個月后，保溫效果將越來越差，損失的熱量將更大。氣凝膠材料在LNG方面的應(yīng)用LNG保溫的現(xiàn)狀在LNG工程及其他低溫項目建設(shè)中，低溫、超低溫設(shè)備涉及到的溫度大都在-40至-170攝氏度。最常用的深冷保冷材料主要有PUR/PIR,發(fā)泡玻璃，橡塑，改性酚醛泡沫等，這些材料較之于先前使用的珍珠巖材料，無論從性能還是施工方面看，都有了很大的改善。保冷效果的好壞不僅關(guān)系到整個設(shè)備的輸送效率，而且對裝置的安全生產(chǎn)也有至關(guān)重要的影響。合適的保冷材料不僅能夠降低能耗、減少冷量損失，而且為符合環(huán)保要求、為企業(yè)安全生產(chǎn)和創(chuàng)造更好的效益提供了保障。氣凝膠型保溫材料的出現(xiàn)，似乎正是為了這種深冷型保溫而量身定做，在國內(nèi)外已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用。我國當(dāng)前絕大多數(shù)的LNG輸送管道保冷工程都不是很理想，其主要缺陷及成因如下：傳統(tǒng)材料保溫性能衰減很快，導(dǎo)致維護(hù)成本很高。傳統(tǒng)材料保冷效果差，冷損失大，容易給天然氣或其他壓縮氣體的儲藏運輸帶來危險。傳統(tǒng)材料包裹厚度大，給密集型管線排布設(shè)計帶來諸多不便。管道由于保冷層的效果差而很容易被結(jié)露的水腐蝕。保冷層很容易因結(jié)露水太多而失去效果。有機類材料防水性可以但無法滿足防火要求。氣凝膠材料帶來的好處保冷效果優(yōu)異，常溫?zé)釋?dǎo)僅0.016W/m*k，超低溫時熱導(dǎo)率0.01W/m*k，所需保冷層厚度大大減小，有效降低冷損失，為密集型管線排布設(shè)計提供優(yōu)化。具有最佳的低溫穩(wěn)定性，-200仍可長期保持保冷性能及良好柔性，不開裂。尺寸穩(wěn)定性極佳，納米級特殊結(jié)構(gòu)可抵抗管道伸縮帶來的內(nèi)應(yīng)力，無需設(shè)置伸縮縫。氣凝膠材料的疏水性能好，可有效抑制水滲入金屬管線表面，防止管線腐蝕，防止保溫材料因滲水而導(dǎo)致保溫效果下降。材料為無機材料，主要成分SiO2，不含膠黏劑，性能穩(wěn)定，安全防火，使用壽命更長。材料切割、施工方便，維護(hù)成本低。與現(xiàn)流行較好的保冷材料具體性能對比：氣凝膠復(fù)合氈墊發(fā)泡玻璃類發(fā)泡PIR聚三聚氰酸脂導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)0.0100.0200.0500.0800.0300.040容重，kg/m319015024050180保冷厚度約為1/221吸水率（vol%）0.3621.5防水性整體防水，憎水率99%，納米結(jié)構(gòu)能夠有效的抵御結(jié)露、結(jié)霜防水性差，需外加防水措施防水性差，需外加防水措施可施工性可成卷材，異形件，柔性好，易施工很差，損耗高，普通，可現(xiàn)場發(fā)泡，但發(fā)泡均勻性較差超低溫穩(wěn)定性優(yōu)，預(yù)計壽命3-5年穩(wěn)定性一般，壽命約2年易老化，強度變低，穩(wěn)定性差， 6個月到1年需更換尺寸穩(wěn)定性0.45%差差重復(fù)利用性拆卸檢修時，可重復(fù)利用拆卸時易碎，無法利用拆卸時易碎，無法利用其 他使用厚度為1/2,體積約為1/3,減少25%的輔材費用，減少管線排布難度。氣凝膠復(fù)合保溫氈墊與PIR材料的經(jīng)濟(jì)對比：（以1km直徑100mm的管道計）氣凝膠絕熱氈發(fā)泡玻璃PIR預(yù)計保冷層厚度(mm)4016080預(yù)計表面溫度()303030保冷材料體積（m3）17.514045.2主要材料費用（萬元）約1814約7施工及輔材費（萬元）約3約8約5冷損情況約1/321維護(hù)情況幾乎不需要，即使遇到物理損傷，也易于修補幾乎不維護(hù)，使用壽命到達(dá)后，整體更換老化嚴(yán)重，每3-6個月都需要大修，每次維護(hù)花費1-2萬填埋管道體積小，土石方工程為原先1/3預(yù)制管道的話，體積小，運輸成本低。體積太大，無法用作預(yù)制管道體積大，無法制作預(yù)制管道氣凝膠材料在涂料方面的應(yīng)用氣凝膠涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀涂料行業(yè)發(fā)展至今，分類越發(fā)細(xì)化，針對性越發(fā)專業(yè)。納米氣凝膠復(fù)合涂料是跟隨納米氣凝膠材料的發(fā)展，而新興開發(fā)出的涂料品種，根據(jù)具體使用要求的區(qū)別，又可分成保溫隔熱涂料，疏水涂料，等不同品種，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。1、保溫涂料是一種新型的保溫材料，通過低導(dǎo)熱系數(shù)和高熱阻來實現(xiàn)隔熱保溫的一種涂料。氣凝膠以其最優(yōu)秀的保溫性能，非常貼合保溫涂料的技術(shù)要求，既要保溫隔熱效果好，又要涂膜薄。目前世界發(fā)達(dá)國家在這方面的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)較為普及，無論是建筑行業(yè)，還是工業(yè)管道，已有大量應(yīng)用。國內(nèi)應(yīng)用基本上都是進(jìn)口國外產(chǎn)品。不同于發(fā)射型涂料，保溫隔熱型涂料對于隔熱性能有很高的要求，而不僅僅只是反射陽光紅外線。2、疏水涂料是把原來的涂料進(jìn)行改進(jìn)，具有疏水功能，具有荷葉效果，污漬容易擦洗，其主要性能有疏水自潔、呼吸透氣、彈性修復(fù)等功能。現(xiàn)目前幾乎所有的水性涂料均要添加疏水劑，以增強涂料在這方面的功能。疏水型納米氣凝膠材料以其很高的疏水率，成為涂料的疏水添加劑的理想材料。納米氣凝膠材料在涂料方面應(yīng)用的優(yōu)勢（無論對于保溫涂料，或者作為疏水添加劑）環(huán)保, 對生態(tài)環(huán)境友好應(yīng)用廣泛，施工非常簡單方便。修復(fù)和恢復(fù)簡單，維護(hù)費低。厚度1-1.5mm 的涂層具有10-20mm 厚度的保溫纖維或50-100 mm厚度的磚石相似的保溫效果。正常的條件下(-60以上200 以下)納米保溫涂料的壽命是10年。防火阻燃性能優(yōu)良，涂層軟化溫度260以上，燃燒無明火無毒性煙霧產(chǎn)生,遇火阻燃時間長。疏水性好，防水, 防止發(fā)霉。涂層不受濕度,結(jié)露以及溫度的影響。 納米氣凝膠涂料的適用范圍：建筑領(lǐng)域：外墻、地板、屋頂、閣樓 、保溫地板防霉：木材、水泥玻璃：高透光、低傳熱金屬結(jié)構(gòu)：冷庫、儲藏室、廠房外墻、廠房彩鋼頂工業(yè)設(shè)備：冷、熱水管道 石油煤氣管道、石油庫 化學(xué)產(chǎn)品儲罐、存儲庫、集裝箱山洞隧道：墻面防水、防霉、防潮、保溫、自清潔 空調(diào)管道 、列車客房、冰箱、氣象設(shè)備納米氣凝膠涂料與其它材料的對比納米氣凝膠涂料硅酸鋁鎂質(zhì)纖維板導(dǎo)熱系數(shù)mW/mK1240納米氣凝膠疏水劑有機硅疏水劑疏水接觸角150120氣凝膠材料太陽能方面的應(yīng)用在國外，氣凝膠用于屋面的太陽能集熱器已經(jīng)有很長時間了。在民用領(lǐng)域，太陽能熱水器及其他集熱裝置的高效保溫，成了能否進(jìn)一步提高太陽能裝置的能源利用率和進(jìn)一步提高其實用性的關(guān)鍵因素。隨著納米孔超級絕熱材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟和生產(chǎn)成本的不斷降低，該材料首先應(yīng)用在家庭及單位的太陽能熱水器。將納米孔超級絕熱材料應(yīng)用于熱水器的儲水箱、管道和集熱器，將比現(xiàn)有太陽能熱水器的集熱效率提高一倍以上，而熱損失下降到現(xiàn)有水平的30%以下。平板太陽能集熱器的效率與其透明蓋板的集熱率，發(fā)射率息息相關(guān)，氣凝膠復(fù)合玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃可大大提高集熱器效率，可有效降低蓋板與吸熱板及周圍環(huán)境的熱損失。新材料蘊含商機驚人，比如目前我國主要以真空管太陽能集熱器，市場占以上，平板型太陽能集熱器市場不到，而在國外，平板型太陽能集熱器市場份額占以上。如果全國有三分之一家庭太陽能熱水器使用立方米的氣凝膠材料，每年可實現(xiàn)億元的產(chǎn)值。氣凝膠材料在汽車隔熱方面的應(yīng)用氣凝膠隔熱墊的優(yōu)點：發(fā)動機及排氣管一般溫度在350度左右，溫度很高，一般車身都是比較緊湊的不可能有太多的空間來做隔熱，因此要求保溫層必須要薄。隔熱材料的使用壽命也是一個很重要的問題。引擎蓋隔熱可保護(hù)漆面，冬天保護(hù)水箱，同時還有隔音的效果。氣凝膠材料建筑材料方面的應(yīng)用建筑保溫的現(xiàn)狀：隨著國家對節(jié)能減排要求的不斷提高，及人們對生活品質(zhì)的追求，建筑保溫逐漸成為建筑領(lǐng)域的一個重點課題。對于一棟建筑物來說，幾乎所有部位，都涉及到需要保溫隔熱的問題。包括建筑內(nèi)外墻，屋頂，地板，玻璃窗戶。唯有整體保溫隔熱，才能真正的達(dá)到節(jié)能減排的目的。目前我國建筑行業(yè)選用的保溫隔熱材料，可謂是品種繁多，應(yīng)用方法也可謂是花樣百出。其實對于這樣的狀況，可以理解為所有的選擇，都有其局限性，都不能完美的解決問題。傳統(tǒng)保溫材料的問題，都出現(xiàn)在性能方面，而氣凝膠復(fù)合材料的問題，則是價格方面。種類主要優(yōu)點主要缺點膨脹礦石價格很便宜導(dǎo)熱系數(shù)高，厚度不夠的話起不到保溫效果，厚度足夠浪費空間發(fā)泡有機材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，厚度可相對較薄，不占空間達(dá)不到A級不燃，易引起著火，加入大量阻燃劑則影響導(dǎo)熱系數(shù)。若加工成混合砂漿類，夾心板類，也造成導(dǎo)熱系數(shù)極大上升。無機纖維類導(dǎo)熱系數(shù)一般吸潮真空板類導(dǎo)熱系數(shù)很好，雖然施工中必然引入熱橋，大大影響實際隔熱性能易破損，施工難度大氣凝膠復(fù)合材料隔熱性能好，A級不燃，防火防霉，施工方便，幾乎完美價格貴，可能造成房屋建造成本每平米上升500元在美國市場上，氣凝膠復(fù)合保溫材料最大的應(yīng)用就是在建筑材料領(lǐng)域。美國住建部門對房屋的隔熱性能有明確嚴(yán)格的規(guī)定，開發(fā)商們以前為了達(dá)到這樣的規(guī)定，都必須給房屋內(nèi)外墻，地板，加裝厚厚的保溫層，直到氣凝膠復(fù)合材料的出現(xiàn)。美國的建筑墻體因此而大幅度變薄，房屋的凈空大幅增加，占地變小。而帶來的成本增加，誠實的傳遞到最終消費者身上，消費者通過計算每年的節(jié)能率，也完全可以接受。氣凝膠材料在客車、救生艙方面的應(yīng)用客車，救生艙的保溫現(xiàn)狀客車和礦井救生艙的保溫都有共同的特點要求，即是要保證倉內(nèi)溫度維持穩(wěn)定，同時倉內(nèi)空間有限，對保溫材料的絕熱性能、耐溫性能、防腐、強度、耐老化等各項性能有著極高要求。目前我國在這方面的保溫工程問題比較嚴(yán)重：導(dǎo)熱系數(shù)較高，隔熱效果差，空調(diào)設(shè)備運行能耗較高。