隔熱保溫氣凝膠劍指新能源市場

 發(fā)表時間：2023-08-22

介紹

隔熱保溫材料一般是輕質、疏松、多孔、纖維材料。按其成分可分為有機材料和無機材料兩種，前者的保溫隔熱性能較后者為好，但后者較前者耐久性好。常見的傳統(tǒng)保溫隔熱材料有巖棉、玻璃棉、膨脹珍珠巖等等，占據(jù)了我國大部分的市場，主要用于石油化工建筑節(jié)能等傳統(tǒng)領域。保溫材料和隔熱材料也統(tǒng)稱為絕熱材料。直到氣凝膠的出現(xiàn)徹底改變了市場的格局。1931年， 斯坦福大學Samuel S.Kistler通過溶膠—凝膠法水解水玻璃首次制備氣凝膠。1932年，Kistler提出“氣凝膠”這個術語，指液體被氣體取代，不破壞凝膠固體網(wǎng)絡的凝膠。

在20世紀30年代被發(fā)明至今，氣凝膠已經(jīng)創(chuàng)下了15項目“吉尼斯世界記錄、”憑借極輕、隔熱、最低介電常數(shù)等硬實力被譽為“改變世界的十大神奇材料”之一。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(wǎng)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。氣凝膠是世界上最輕的固體，也稱為“固體煙”。

氣凝膠

氣凝膠從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)經(jīng)歷過三次產(chǎn)業(yè)化，目前正處在以我國企業(yè)為主導的第四次產(chǎn)業(yè)化浪潮中。1931年， Steven. S. Kistler在Nature雜志上發(fā)表《 共聚擴散氣凝膠與果凍》 標志著氣凝膠的發(fā)現(xiàn)，隨后陸續(xù)經(jīng)歷了三次產(chǎn)業(yè)化。從2001年美國Aspen公司成立，開始第三次氣凝膠產(chǎn)業(yè)化至今， 20年來全球氣凝膠產(chǎn)業(yè)已走過了研發(fā)期、導入期，目前正處于成長期前期。2010 年開始，國內首批氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)成功開拓了工業(yè)設備管道節(jié)能、新能源汽車安全防護、軌交車廂及船體防火隔熱保溫的應用市場，氣凝膠市場日益成熟。

2.1 氣凝膠的分類

根據(jù)氣凝膠的骨架組成物質將其分為三類：無機氣凝膠，主要類型有硅氣凝膠和金屬氧化物氣凝膠；有機氣凝膠，該類型使用的前軀體多為間苯二酚-甲醛；碳氣凝膠，在惰性氣氛和高溫的條件下，碳化有機氣凝膠只保留碳骨架結構。根據(jù)材料的維度可分為一維、二維、三維等，如下圖所示。迄今為止已經(jīng)研制出的氣凝膠有數(shù)十種, 它們分為單組分氣凝膠如SiO2、 Al2O3、V2O5等, 多組分氣凝膠如Al2O3/SiO2、TiO2/SiO2、 Fe/SiO2等, 有機氣凝膠如RF、 MF等和碳氣凝膠。

來源：百度

2.2 氣凝膠的特點

氣凝膠相比于傳統(tǒng)隔熱保溫材料具有低密度（0.16Kg/m³）、孔隙率高（80%-99.8%）、比表面積大（400-1000m²/g）、導熱系數(shù)低(10mW/mK)等特點。

來源：百度百科、CNKI、中國銀河證劵研究院

來源：華安證劵研究所

在傳統(tǒng)行業(yè)中相比其他保溫材料，氣凝膠導熱系數(shù)最低、質量最輕，耐熱溫度更高。實現(xiàn)相同保溫效果，氣凝膠厚度不足其余材料1/3；厚度更薄，散熱面積更小，管線溫降更低，熱效率更高，同時最大限度節(jié)約空間；若地下管道保溫，則大幅減少開挖量。

2.3 氣凝膠的隔熱原理

與傳統(tǒng)保溫材料相比，氣凝膠保溫隔熱性能更好，使用壽命更長。氣凝膠超低的導熱系數(shù)保證其優(yōu)秀的隔熱效果，隔熱性能是傳統(tǒng)保溫材料的2-5倍，并且從-200℃到650℃環(huán)境均可使用。同時，氣凝膠的納米孔特殊結構使其耐壓抗拉，使用壽命更是傳統(tǒng)材料的5倍以上。氣凝膠突出的隔熱性能來自于其多孔結構。氣凝膠的孔徑尺寸低于常壓下空氣分子平均自由程，因此空隙中的空氣分子近似靜止，從而避免了空氣的對流傳熱。氣凝膠極低的體積密度及多孔結構的彎曲路徑也阻止了氣態(tài)和固態(tài)熱傳導，趨于“無窮多”的空隙壁可以使熱輻射降至最低。三方面共同作用，幾乎阻斷了所有熱傳遞途徑，使氣凝膠達到其他材料無法比擬的隔熱效果。

來源：華安證券研究所

氣凝膠的制備

氣凝膠的制備通常由兩個過程構成, 即溶膠-凝膠過程和干燥。溶膠凝膠：第一步通過溶膠-凝膠過程制得凝膠；第二步通過一定的干燥方法將凝膠內的液態(tài)物質替換為氣態(tài)從而制得氣凝膠。溶膠-凝膠過程是制備氣凝膠最核心的過程，它通常是指前驅體在催化劑（酸或堿）的作用下進行水解縮聚反應后形成溶膠，進而通過老化形成凝膠的過程。通過改變前驅體種類、催化劑濃度、體系溫度及 pH 等參數(shù)，可實現(xiàn)對凝膠骨架微觀結構的調控。而材料的結構往往決定其所具有的功能，因而通過調節(jié)溶膠凝膠參數(shù)可制得具有特定功能的氣凝膠。干燥：第二步通過一定的干燥方法將凝膠內的液態(tài)物質替換為氣態(tài)從而制得氣凝膠。

來源：中國粉體網(wǎng)、西部證劵研發(fā)中心

干燥的方法目前可分為超臨界干燥、常壓干燥、冷凍干燥、高溫干燥、微波干燥三種方法。

來源：CNKI、中國銀河證劵研究院

超臨界干燥法是最早提出、應用最為廣泛的干燥方法。它是指將干燥溶劑的溫度、壓強均提升至其超臨界點以上，從而消除凝膠孔洞內的氣液界面，是對樣品進行干燥的方法。為了避免溶劑的蒸發(fā)，在超臨界干燥前會預先向高壓釜內充入一定量的 N2，從而達到預增壓的效果。通常被用于超臨界干燥的試劑包含以乙醇為代表的有機溶劑與液態(tài) CO2 兩類，與有機溶劑相比，選用液態(tài) CO2 作干燥介質操作更為安全，超臨界CO2 干燥法工藝較為成熟， 工藝完善，為市面上較多采用的氣凝膠生產(chǎn)工藝，如愛彼愛和、晨光新材、宏柏新材等公司均采用此方法。 

來源：國海證劵

常壓干燥不需要超臨界干燥所使用的高壓釜，但需要漫長的溶劑替換過程，從而避免在干燥過程中凝膠吸水以及氣液界面張力對凝膠骨架造成破壞。通常在進行常壓干燥前需要將凝膠內的溶劑替換為表面張力較小的試劑，之后對凝膠表面進行修飾處理，即將凝膠表面親水的羥基替換為疏水的甲基，最后再進行干燥。常壓干燥在保持氣凝膠微觀結構的同時也有效地降低了干燥過程的危險性，是 4 種常見的干燥方法中操作最簡單、使用最經(jīng)濟的方法。常壓干燥工藝可降低氣凝膠的生產(chǎn)成本， 但是工藝難度較大，目前常用的主要是超臨界干燥技術。

來源：頭豹研究院、華安證劵研究所

氣凝膠的應用

4.1 油氣管道是氣凝膠下游最主要的應用領域

氣凝膠主要用于高溫油氣管線保溫， 如稠油開采的地面高溫注汽管線保溫，煉化裝置、介質管線的保溫等，一般溫度在200℃~650℃之間。另外，為了防止輸送油氣的管道發(fā)生凝管或者冰堵事故，尤其在冬季或者氣候寒冷的高緯度地區(qū)，管道運營公司亦需要對輸送介質進行加熱并對管道進行保溫。

行業(yè)分析

5.1 市場規(guī)模

從全球市場來看， 據(jù) AlliedResearch 預計， 2025年全球氣凝膠行業(yè)的市場規(guī)模將遠超22億美元， 中國將成為增速最快的市場。2021年中國氣凝膠市場中， 氣凝膠材料占比58%， 氣凝膠制品占比42%。近幾年， 我國氣凝膠行業(yè)發(fā)展迅速， 市場規(guī)模不斷壯大。氣凝膠材料的市場規(guī)模從2014年的1.83億元增長到2021年的22.8億元， 復合增長率達到43.38%。 盡管我國氣凝膠市場起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已處于國際并跑或領跑地位。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院， 2014—2020年，我國氣凝膠產(chǎn)量從0.85萬立方米增加到10萬立方米，年均復合增長率達到51%。

整體來看，我國的氣凝膠產(chǎn)業(yè)在逐漸擺脫之前的產(chǎn)品結構低端化嚴重，產(chǎn)品成本優(yōu)勢不明顯等劣勢，行業(yè)的規(guī)模擴張進程加快。據(jù)統(tǒng)計，截至2023年3月，我國氣凝膠材料產(chǎn)能達27.36萬立方/年，擬建產(chǎn)能為123.85萬立方/年。我國氣凝膠市場已處于國際領跑地位。在國家對新材料日益重視和碳達峰對節(jié)能減碳日趨嚴格的大背景下，我國的氣凝膠行業(yè)發(fā)展顯著加快。

5.2 上游原材料成本占比高

產(chǎn)業(yè)鏈（上游）正硅酸乙酯是較為常用的有機硅源。氣凝膠的前驅體包括無機硅源和有機硅源，無機硅源主要為水玻璃，其材料本身成本低且原料來源廣泛，但是產(chǎn)品雜質含量高，后續(xù)需要較多的處理步驟，綜合成本不低。有機硅源主要包括正硅酸甲酯和正硅酸乙酯，二者生產(chǎn)的產(chǎn)品性能更加優(yōu)越，但是正硅酸甲酯水解生成甲醇對人體危害較大，因此，正硅酸乙酯是較為常用的有機硅源。

來源：國海證劵

5.3 政策支持，加速推進

政策+標準”持續(xù)出臺，推動產(chǎn)業(yè)健康高質發(fā)展。2020年9月22日，習近平主席在聯(lián)合國大會上首次提出中國碳達峰與碳中和的目標：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。實現(xiàn)碳達峰、碳中和，是黨中央、國務院作出的重大戰(zhàn)略決策，是推動實現(xiàn)高質量發(fā)展的內在要求。

來源：國家官網(wǎng)、中國銀河證劵研究院

在“雙碳”目標背景下，我國持續(xù)出臺相關文件，一方面繼續(xù)堅決遏制“兩高”項目盲目發(fā)展，另一方面持續(xù)推進節(jié)能降碳綠色轉型。

氣凝膠行業(yè)標準不斷推出和立項，一方面，有利于規(guī)范氣凝膠在工業(yè)、建筑、交通、新能源、航空航天等領域的運用，在設計、施工和驗收等環(huán)節(jié)提供技術保證；另一方面，隨著氣凝膠的優(yōu)越性能逐步被市場認可，不同領域、不同用途氣凝膠標準的出臺有助于打開氣凝膠下游市場的廣闊消費空間。

總結

氣凝膠優(yōu)異的物理特性使其在保溫隔熱、吸附催化、航空航天、微電子等諸多領域均具有廣闊的應用前景，在國內大型煉化工業(yè)快速發(fā)展的環(huán)境下和新能源汽車的需求，未來氣凝膠市場需求將迎來增長空間。氣凝膠的主要缺點是生產(chǎn)成本高。技術方面，我國常壓干燥工藝逐步完善，正在逐步取代成本高周期長的超臨界制備工藝，制造成本可降低到超臨界工藝的1/20，此外，常壓工藝可以維護成本相對較低的無機硅源，進一步優(yōu)化成本。隨著生產(chǎn)成本的降低，氣凝膠將應用于更多領域，市場規(guī)模有望擴大。此外，由于其脆弱的力學性能卻始終阻礙著氣凝膠實現(xiàn)真正的日常應用化。尤其對于眾多無機氣凝膠，易碎的本質及彈性性能的缺乏更是大大限制了其在各領域的應用。雖然目前現(xiàn)行的方法可顯著改善氣凝膠的力學性能，但這些方法同時也引出了新的問題。例如將氣凝膠與纖維復合所制得的樣品存在很嚴重的“掉粉”問題，氣凝膠極易從纖維基材表面脫落，因而其應用范圍十分受限；而將氣凝膠與有機化合物復合所制得的樣品阻燃性會大幅降低，因而無法將其應用于高溫領域；通過向前驅體內引入有機取代基雖然能使氣凝膠的力學性能得到改善，但此類方法目前僅適用于硅系氣凝膠的制備，對于絕大多數(shù)無機氣凝膠該方法不具有普適性。因此，在保證無機氣凝膠其它性能不受影響的前提下，尋找一種能提升其力學性能的方法仍將是未來氣凝膠最重要的發(fā)展方向之一。

參考資料

[1]Composites Part B,High-strength, thermal-insulating, fire-safe bio-based organic lightweight aerogel based on 3D network construction of natural tubular fibers（2023）。

[2]Journal of Non-Crystalline Solids, A review of silicon-based aerogel thermal insulation materials: Performance optimization through composition and microstructure（2021）。

[3]Advanced Functional Materials，Thermo-Responsive Self-Ceramifiable Robust Aerogel with Exceptional Strengthening and Thermal Insulating Performance at Ultrahigh Temperatures（2023）。

[5]華安證劵，崛起氣凝膠、助力碳中和（2021）。

[6]西部證劵，氣凝膠：最高效隔熱材料，契合碳中和和節(jié)能大趨勢（2022）。
[7]中國銀河證劵，隔熱王者”氣凝膠，雙碳目標開啟成長賽道（2022）。