金承黎

三、气凝胶主要产品形态及纳米微孔绝热材料

1.气凝胶超级绝热原理

如前所述，讨论的焦点是二氧化硅气凝胶及其作为超级绝热材料的应用。气凝胶何以成为超级绝热材料？先来看看气凝胶的超级绝热原理，热量有3种基本传递方式：传导、对流和辐射（如图10所示）。

对于保温材料而言，热传导主要由保温材料中的固体部分来完成；热对流则主要由保温材料中的气体来完成；热辐射的传递不需要任何介质。

1992年，美国召开的国际材料工程大会上提出了超级绝热材料的概念，指在预定的使用条件下，其导热系数低于“对流空气”导热系数的绝热材料。通过对比（见图11），具有纳米孔结构的气凝胶就是典型超级绝热材料。

气凝胶的超级绝热性能基于以下原理：“无穷长路径”效应：由于近于无穷多纳米孔的存在，热流在固体中传递时就只能沿着气孔壁传递，近于无穷多的气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应，使得固体热传导的能力下降到接近最低极限。

“零对流”效应：当气凝胶材料中的气孔直径小于70nm时，气孔内的空气分子就失去了自由流动的能力，相对地附着在气孔壁上，这时材料处于近似真空状态，即产生“零对流”效应。

“无穷多遮热板”的效应：由于材料内的气孔均为纳米级气孔再加材料本身极低的体积密度，使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”，对于每一个气孔壁来说都具有遮热板的作用，因而产生近于“无穷多遮热板”的效应，从而使辐射传热下降到近乎最低极限。不过在400℃以上高温下使用时，仍然需要加入遮光剂来增强气凝胶对高温红外线的辐射的抵抗。

2.气凝胶主要产品及应用

当前气凝胶的产品形态主要有保温气凝胶毡、板、布、纸、颗粒、粉末和异形件等（如图12）。气凝胶毡、板、布、纸和异形件，都是气凝胶与相应产品形态的纤维复合所得产品，基本的技术工艺是类似的，但是产品应用有较大的区别。

气凝胶毡是当前产量最大、应用最广的气凝胶产品，美国的某气凝胶企业更是挑明了只生产气凝胶毡。笔者前文提及的航天军工、石油化工、冶金建材、冰箱冷库等所有气凝胶应用领域都可以采用气凝胶毡。气凝胶布、纸和异形件主要用于一些特殊需要领域。如气凝胶布主要应用于服装鞋帽领域，气凝胶纸（薄毡）主要应用于热电池和一些空间极小、管径极细或希望缠绕施工的领域，气凝胶异形件基本上用于军工和制作可拆卸保温套。气凝胶板与气凝胶毡的一个主要区别是硬度的不同，“毡”有柔韧性可卷曲，“板”有一定的刚度，不易弯曲。气凝胶板的主要应用是大型设备保温以及未来的建筑节能内外墙的保温。对气凝胶板而言，当前一个挑战就是厚度，客户往往希望可以达到5～10cm的厚度，而目前气凝胶板产品最大厚度仅为1cm。

以上气凝胶产品共同面临的一个问题就是产品表面粉尘，也是气凝胶产品除了高成本外的又一痛点，美国 ASPEN公司产品对该问题已经有显著改善，国内目前还没有无尘产品上市，但应该很快也会攻克。

气凝胶颗粒目前主要应用是利用气凝胶透明性，填充在PC板或者中空玻璃中做采光隔热板，虽有一定市场应用但是规模较小。气凝胶粉末是最初级也是生产最容易、成本最低的产品（纳米材料大部分都是粉体，就是因为纳米粉体制备工艺相对简单），气凝胶产业化历史应该也是从粉体开始的，不过遗憾的是迄今为止，尚没有为气凝胶粉体找到有实质意义的批量应用。韩国JIOS公司（JIOS Aerogel Corporation）将气凝胶粉体定位为主要产品，目标市场是气凝胶涂料，并积极布局中国市场。

除了以上产品，还有2类气凝胶产品在业内受到较多的关注，即气凝胶真空板（VIP）和气凝胶涂料。

先介紹气凝胶真空板。首先，需要说明气凝胶真空板性能确实是非常优异的，最低可达0.002W/（m·K）。实际上普通玻璃纤维做芯材的真空板也能达到导热系数0.004W/（m·K），用气凝胶做芯材要么大材小用，要么只是噱头。最为本质的问题是真空板漏气不可避免，只是时间问题，如果用于寿命10年的家电行业，勉强说得过去，如果用在使用寿命70年建筑领域，对于铝塑真空封装的真空板要做到与建筑同寿命，不论是理论上还是工程数据尚不能令人信服。即便可以不漏气，但不透气的真空板怎么避免湿气结露，不能钉、不能铆的真空板怎么确保不会出现保温层大面积脱落？这些都是实实在在的硬伤。

再介绍气凝胶涂料。涂料是传统保温材料里非常重要的一类产品，在很多领域发挥着不可替代的重要作用，自从气凝胶诞生以来，对气凝胶涂料的呼唤就没停过，近年来这种呼唤似乎更甚。前不久美国的卡博特公司（Cabot Corporation）推出了气凝胶砂浆和涂料，导热系数为0.035W/（m·K），韩国JIOS公司开发的气凝胶涂料，导热系数为0.045W/（m·K）。国内公司也有开发气凝胶涂料的，指标基本上在0.035～0.060W/（m·K）之间。笔者认为，气凝胶涂料目前的性能指标与传统保温涂料在性价比上尚无竞争力可言。为什么当前的气凝胶涂料并没有显示出气凝胶应有的优异特性呢？这其实与气凝胶的纳米孔结构有密切关系。气凝胶因纳米孔结构而拥有众多神奇性能，也因纳米孔结构导致其在涂料应用开发方面举步维艰。气凝胶是纳米开孔结构，配制气凝胶涂料不可避免会导致气凝胶与液态介质混合，不论是水性试剂还是油性试剂，都很难避免气凝胶孔洞内液体浸入后产生如前所述的毛细管力，从而使纳米多孔结构破坏，进而严重损害，乃至完全丧失绝热性能。气凝胶涂料第2大难以跨越的门槛是气凝胶作为比空气导热系数还要低的超级绝热材料，当呈粉状分散在涂料中，即气凝胶成为分散相，也就是一个个孤岛，热量会绕过这些孤岛继续传递，故而难以制备出与气凝胶本身优异绝热性能相匹配的涂料来。

（2）第2步：“走出去”

在经济全球化的今天，当气凝胶行业在国内站稳脚跟后，走出去就是一个必然的选择。笔者建议在走出去前，先做好充分准备，特别是知识产权的优先布局。中国当前市场足够大，足以培育出数家未来可能冲击世界一流的气凝胶企业，也是一个练兵的绝佳场地，从中国企业发展历史表明，那些在国内竞争脱颖而出的优秀企业，海外运营也往往表现不错，联想集团、海尔集团、华为技术有限公司都是如此。当然也可以先做海外市场再做国内市场，前提是你的海外市场渠道够硬够广，而且你在海外拥有足够份量专利为你产品护航。

（3）第3步：“平台化”

国内气凝胶行业里的领先企业经过多年发展，已经成为大型产业集团，企业自身呈平台化发展的特点，也可称为依托于近似核心技术平台的有限多元化，类似目前杜邦公司、3M公司和巴斯夫集团等企业。尽管企业主业可能还是二氧化硅气凝胶，主要用途可能还是超级绝热材料，但是其他氧化铝气凝胶、氧化钛气凝胶、碳气凝胶等也获得了产业化，气凝胶的批量应用领域也得到很大扩展，吸附催化、吸音隔音、绝缘、防爆、激光靶材、储能、海水淡化、分形研究、药物缓释、高强体育器材乃至一些现在还未可知的应用等等，人们提到气凝胶的时候，更多的注意到其纳米孔结构，不再简单视为是一种保温材料，甚至如国内学者提出的，气凝胶成为类似于固体、液体、气体、等离子体的第5种物质形态。

同样需要说明的是，气凝胶材料用途众多，如果国内气凝胶企业根据自身情况，现在就进入非二氧化硅气凝胶产业化，或气凝胶非超级隔热用途的应用开发，笔者认为都是可行的。以上，仅仅是笔者从气凝胶企业从业人员的角度对当前中国气凝胶产业的思考，国内气凝胶行业资源如何整合，如何制定和实施持续创新的知识产权战略，是否成立产业技术联盟等重大议题均未涉及，欢迎气凝胶业内同仁、学术界、政府人员、投资界等各领域相关人员对气凝胶产业的发展献计献策。

参考文献

[1] 闫洁.科学家变废为宝“神奇”稻壳前景广阔[EB/OL].（2008-3-2）[2012-6-5].http：//news.xinhuanet.com/ newscenter/2008-03/02/content_7697179.htm.

[2] 李鵬燕.气凝胶未来政策导向良好发展前景明朗[EB/OL].（2016-7-26）[2016-7-28].http：//info.fire.hc360. com/2016/07/261711912933.shtml.