納米多孔超輕質高效隔熱SiO2氣凝膠

納米多孔超輕質高效隔熱siO2氣凝膠1、項目提出的主要理由面對能源短缺問題，建設節(jié)約型社會，減少熱損失和能源浪費、提高熱能利用效率具有重要意義，這勢必需要大力發(fā)展隔熱保溫材料，廣泛采用新型優(yōu)質隔熱保溫材料，對我國國防、經濟建設的健康、穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。SiO2氣凝膠是一種新型輕質納米多孔材料，具有低密度、高孔隙率、低熱導率和低折射率，是一種新型高效隔熱保溫材料。納米多孔SiO2氣凝膠以其獨特的結構可有效的阻止熱量傳輸?shù)娜N方式，常溫常壓下熱導率小于0.013W/mK，比靜止空氣的熱導率(0.026W/k?m)還低，是目前熱導率最低的固體材料，可稱為超級絕熱材料。納米多孔SiO2氣凝膠具有一定的抗壓強度，可在高溫下穩(wěn)定工作，最高使用溫度可達1000°C，高溫下不分解，無有害氣體放出，屬于綠色環(huán)保型材料。納米多孔SiO2氣凝膠還具有極高的孔隙率、極低的密度、極低的聲傳播速度、極低的介電常數(shù)、極高的比表面積、透明等優(yōu)異性能，在熱學、光學、聲學、微電子、石油化工、航空航天、節(jié)能建筑等領域具有十分廣闊的使用前景。工業(yè)及民用領域在石化行業(yè)、化工行業(yè)和冶金行業(yè)中，管道、爐窯及其它熱工設備普遍存在，用SiO2氣凝膠及其復合材料替代傳統(tǒng)的保溫材料對它們進行保溫，可以大大減少熱能損失，提高熱能利用率。在民用領域，

具有高度透光率并能有效阻止高溫熱輻射的SiO2氣凝膠可以用作太陽能集熱器及其它集熱裝置的保溫隔熱材料，大大提高其實用性。用熱導率極低的摻雜SiO2氣凝膠取代聚氨酯泡沫作為冰箱等低溫系統(tǒng)的隔熱材料，可以防止該材料內含有大量氟里昂氣體泄漏破壞大氣臭氧層，從而保護人類的生存環(huán)境。冷藏集裝箱作為一種冷凍、冷藏運輸設備，必須有良好的隔熱結構，才能保證設備的正常工作，用SiO2氣凝膠代替硬質聚氨酯泡沫塑料具有導熱系數(shù)小、強度高、穩(wěn)定性好、抗腐蝕等優(yōu)點，可用作冷藏集裝箱的隔熱材料。氣凝膠保暖服、保暖鞋已經以商品的形式出現(xiàn)在美國市場上，為極地探險、寒地運動、北極科考以及寒地單兵提供了御寒保障。2）節(jié)能建筑領域目前高層或超高層建筑的主體大多采用鋼結構，鋼結構耐火性能差，如不采取有效的防火保護措施，一旦發(fā)生火災，結構很容易遭到破壞，“911事件中美國世貿大廈被燒毀就是最好的例證。將SiO2氣凝膠隔熱復合材料用于鋼結構防火不但可以延長防火時間，而且高溫下也不會釋放出對人體有害的物質，屬于全綠色防火材料，因而倍受人們青睞。青藏鐵路是世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路，它的修建對促進經濟交流、增進民族團結、維護國家統(tǒng)一、鞏固國防安全、保持社會穩(wěn)定更具有極其重要的戰(zhàn)略意義。而在高原上興建鐵路要面臨著高原氣候和凍土兩大難題，隨著氣溫的變化和升降，凍土層產生凍結膨脹和融化下沉，并對建筑工程帶來及其不利的影響。這也是多年凍土地區(qū)的工程建筑物遭受破壞的原因之一。新型SiO2氣凝膠高

效隔熱復合材料的開發(fā)對于解決這一難題具有廣闊的前景。氣凝膠玻璃作為一種新型建筑材料，具有很好的熱穩(wěn)定性、耐熱沖擊性以及隔熱保暖性，可以替代傳統(tǒng)的礦物棉，使房屋既隔熱又保暖。如果將其用于高層建筑，則可取代一般幕墻玻璃，大大減輕建筑物自重，并能起到防火作用。此外，SiO2氣凝膠隔熱由于具有較低的表觀密度和熱導率以及較好的耐高溫性能，可以用作高效隔熱消聲材料。3）特殊使用領域在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，各類新式武器層出不窮，熱防護工程作為這些新式航空航天武器的關鍵技術，可以起到保護內部控制電路失效和防止金屬材質結構部件軟化的重要作用。對于航空航天武器而言，密度是考核材料的關鍵指標，輕質材料對于提高武器的載重能力、飛行距離具有重要意義。在要求質輕和占用空間有限的絕熱部位，采用氣凝膠材料制備而成的隔熱材料受到了高度重視。氣凝膠材料具有低密度、高熱容、低導熱的突出特點，采用該類材料制備的隔熱材料廣泛使用于國內外各類先進武器的熱防護工程。飛機上記錄飛行狀況數(shù)據(jù)的黑匣子已用該材料作為隔熱層。英國“美洲豹”戰(zhàn)斗機的機艙隔熱層采用的也是該材料。另外，它還可以用作各類高溫燃料電池、熱電池、照明電池的隔熱層。美國NASA在“火星流浪者”的設計中，也用過SiO2氣凝膠隔熱材料作為保溫層，用來抵擋火星夜晚的超低溫。在地球軌道上的航天器受到太陽光的直接照射以及溫度為4K的冷空間的熱輻射，如不進行專門的熱設計，正對太陽光的航天器表面溫度可高達+200r以上，而背對太陽光的航天器表面溫度可低到一200°C以

下，所以為了保證航天器及其儀器設備的正常工作，必須對航天器進行專門的熱設計。最有效的辦法就是在航天器表面覆蓋隔熱性能優(yōu)異的多層隔熱材料，SiO2氣凝膠材料的隔熱性能比常用的隔熱材料（泡沫塑料）好2個數(shù)量級左右，是很好的替代材料。在人類移居月球的計劃中，科學家已將SiO2氣凝膠材料列為太空建筑的主體材料。目前，我國海軍核潛艇、蒸汽動力導彈驅逐艦的核反應堆、蒸發(fā)器、鍋爐以及復雜的高溫蒸汽管路系統(tǒng)均采用普通纖維材料（玻璃纖維、硅酸鋁纖維等）作為隔熱材料，在大型海洋艦艇、船舶上目前使用的隔熱材料有：礦棉保溫板、玻璃棉保溫板、黃軟木板、黑軟木板、酚醛泡沫板、聚氨酯泡沫板、石棉泡沫板、聚酰亞胺泡沫板、磷臘泡沫板、聚雙馬來酰亞胺泡沫板等，這些材料的熱導率隨溫度的升高而急劇升高，隔熱效果不是太好，易燃、笨重、難安裝極大地影響了它們的作戰(zhàn)能力。SiO2氣凝膠隔熱材料作為其替代產品，在艦船，尤其是核潛艇上的使用可以有效降低普通隔熱材料的用量，增大艙內的使用空間，同時降低艙內溫度，有效改善各種工作環(huán)境。另外，國外已用氣凝膠材料研制出了士兵防護服，將對保護士兵免受環(huán)境影響、提高戰(zhàn)斗力十分有利。4）其他使用方面：1）低的聲波傳遞速度，約為100m/s，可以作為理想的聲學延遲或高效隔音材料，以及理想的超聲探測器的聲阻藕合材料，理論上通過這種藕合可使聲強提高到40dB。

2） 在光學特性方面，可制成可見光透明、紅外不透明的氣凝膠材料，紅外和可見光的湮滅系數(shù)之比達到100以上，其折射率又接近于1，真空窗玻璃之間的硅氣凝膠的熱損失率比目前最好的窗系（氫氣充填并用低發(fā)射率的銦氧化物或銀涂層）相比要減少2/3，即可用于民用絕熱透明材料，又可在軍用紅外隱身材料發(fā)揮作用。3） 氣凝膠可以作為高技術項目慣性約束聚變所需的聚變冷凍靶的候選材料。由于其中低阻抗的空氣（阻抗值為400kg/m2）之間的匹配，在超聲傳感器系統(tǒng)方面得到有效的使用。4） 氣凝膠有可控的納米微孔，其孔洞大小分布均勻，氣孔率高?？梢宰鳛闅怏w過濾器的合適材料，在毒氣的過濾和分離方面有很好的潛在使用前景。5） 由于其低介電常數(shù)和介電常數(shù)的可調性，可以作為新型集成電路的襯底材料。6） 利用它的高孔隙率來作生物傳感器、氧和二氧化碳傳感器及水中有機溶劑吸附劑。7） 納米多孔氧化硅氣凝膠透明、可呈現(xiàn)不同的顏色、輕的像煙一樣浮在空中，可開發(fā)成高檔工藝品。8） 納米多孔氧化硅氣凝膠還可用于高級化妝品中的添加劑、各種添加劑、潤滑劑、油漆、研磨膏等，還可用于納米吸附殺菌材料。納米多孔SiO2氣凝膠項目成功實施將成為福建省首家具有氣凝膠生產技術的單位，將成為省內乃至國內生產氣凝膠的龍頭企業(yè)，明顯提高我省高技術隔熱材料的技術水平，并形成較大的產業(yè)鏈，帶動

我省隔熱材料高技術產業(yè)的迅速發(fā)展。在經濟形勢如此嚴峻的今天，納米多孔SiO2氣凝膠隔熱材料可以成為企業(yè)新的經濟增長點，同時可以為社會提供工作崗位，緩解就業(yè)壓力。2、國內外技術發(fā)展狀況和趨勢SiO2氣凝膠是由膠體粒子或高聚物分子相互聚結構成納米多孔網絡結構，并在孔隙中充滿氣態(tài)分散介質的一種高分散固態(tài)材料，具有連續(xù)無規(guī)則網絡結構，是典型的分形結構。由于氣凝膠納米尺度的顆粒及孔隙分布，使其具有很低的熱導率，因而該材料最具潛力的使用是作為一種超級隔熱材料使用。近年來國外絕熱保溫材料發(fā)展明顯加快，由于整體納米技術的發(fā)展，又激發(fā)起了人們對納米孔超級絕熱材料的重視，美國和歐洲各國的研究異?；钴S，日本及韓國也進行了較多的開發(fā)。美國ASPEN公司對氣凝膠隔熱的研究較早，對氣凝膠隔熱機理認識比較深刻，主要針對柔性氣凝膠隔熱產品的開發(fā)和使用。但是，美國氣凝膠產品對中國卻是完全禁用的。國內同濟大學側重于氣凝膠基礎研究，所制備的氣凝膠隔熱材料力學強度較小，成形性較差，只有少量的實際使用。北京科技大學利用硅酸鈣石二次粒子和氣凝膠復合制備隔熱復合材料，仍處于實驗室階段，無工程使用。納諾高科為代表的國內從事氣凝膠隔熱材料研究、生產的企業(yè)起步較晚，技術力量薄弱，并且無使用實例?，F(xiàn)有的隔熱材料都存在一定的不足，而現(xiàn)代隔熱使用要求性能更好的隔熱材料，所以對具有高力學強度、低導

熱系數(shù)、良好耐溫性、低密度和良好加工成形性的氣凝膠隔熱材料的要求更為迫切。廈門大學材料學院2006年開始SiO2氣凝膠研究工作，采用溶膠-凝膠法結合超臨界干燥法和常壓干燥法對SiO2氣凝膠的制備進行了詳細地研究，突破了氣凝膠制備的關鍵技術，該技術已經申請國家專利。通過對SiO2氣凝膠制備工藝參數(shù)的分析，利用正交實驗確定了氣凝膠的反應配比，并采用多種分析手段，對材料進行了微觀組織、孔隙結構、熱物性等方面的測試和分析。圖1是利用超臨界干燥法制備的SiO2氣凝膠塊體。同時利用SiO2氣凝膠制成了氣凝膠高效隔熱復合板，如圖2所示。MbMb圖1SiO圖1SiO2氣凝膠塊體圖2SiO2氣凝膠復合板3、研究開發(fā)的目標、內容3.1研究開發(fā)的目標通過該項目的支持，突破SiO2氣凝膠隔熱材料中試生產技術，為SiO2氣凝膠生產技術向產業(yè)化發(fā)展奠定基礎。制備的氣凝膠隔熱材料達到以下技術指標：1） 熱導率：W0.020W/m-K（室溫）；2） 吸水率V10%；3） 密度:W400kg-m-34） 工作溫度范圍：-20?800°C；5） 阻燃性好，高溫使用不分解，無有害氣體放出；6） 耐侯性好。3.2研究內容納米多孔SiO2氣凝膠的成分設計和合成工藝優(yōu)化研究：原材料、催化體系的選擇、設計及基本配方的優(yōu)化研究；合成工藝優(yōu)化研究，包括濕凝膠的形成過程、干燥化學控制添加劑的選擇、老化提高強度過程、逐級干燥過程；紅外遮光劑的選擇、最佳摻雜比及原位合成研究；凝膠的成型及脫模研究；凝膠的超臨界流體/常壓干燥工藝及干燥機理研究。3.3預期成果項目完成后，將以下列方式提供成果：1、建成SiO2氣凝膠隔熱材料的中試生產線，產品性能達到技術指標，性價比高，產品使用于省內外的各需求單位。

2、 建立SiO2氣凝膠隔熱材料的產品質量標準及檢測方法。3、 通過該項目的支持開展SiO2氣凝膠隔熱材料基礎理論的研究，為產業(yè)化生產奠定堅實的基礎。4、 提交一份研究報告。5、 至少申報二項國家發(fā)明專利。4、項目總投資項目總投資100?200萬元，可形成工業(yè)、節(jié)能建筑、民用需求的中試規(guī)模的納米多孔輕質SiO2氣凝膠材料生產。設備：高壓釜/100L30萬元溶膠裝置20萬元凝膠模具10萬元常壓脫水系統(tǒng)20萬元后處理爐20萬元共計：100萬元原料：硅溶膠5000元/噸硅酸乙酯15000元/噸異丙醇10000元/噸乙醇10000元/噸玻璃棉18000元/噸成本（溶劑回收，硅溶膠為原料）：約15?20元/升成本（溶劑回收，硅酸乙酯為原料）：約25?30元/升5、經濟效益分析

國外小顆粒氣凝膠售價為450元/升，國內用于隔熱的定價可在150?200元/升。一年每臺50L的設備產量約為12500L,每升利潤為100元，則中試期間利潤為125萬元。按這個比例，若能占有隔熱材料的萬分之一的市場，在2010年銷售200噸納米多孔SiO2氣凝膠隔熱復合材料，約2000,000升，則利潤為2億元。若按利潤的十分之一計算也還有2000萬元。6、承擔單位基本情況廈門大學材料學院在教育部985工程和211工程，以及多項國家科技項目經費支持下已經建設了一個具有先進水平的氣凝膠體合成、復合材料制備、分析和檢測平臺。廈門大學具有先進的公共分析、檢測平臺，主要設備包括：德國NETS1500°C高溫