气凝胶应用

气凝胶应用Last revision on 21 December 2020

世界上第一个气凝胶产品是1931年制备出的。当时，美国加州太平洋大学(CollegeofthePacific)的.Kistler提出要证明一种具有相同尺寸的连续网络结构的固体“凝胶”，其形状与湿凝胶一致。证明这种设想的简单方法，是从湿凝胶中驱除液体而不破坏固体形状。如按照通常的技术路线，很难做到这一点。如果只是简单地让湿凝胶干燥，凝胶将会收缩，常常是原来的形状破坏，破裂成小碎片。也就是说，这种收缩经常是伴随着凝胶的严重破裂。Kistler推测:凝胶的固体构成是多微孔的，液体蒸发时的液一气界面存在较大的表面张力，该表面张力使孔道坍塌。此后，Kistler发现了气凝胶制备的关键技术(Kistler,1932)。Kistler研究的第一个凝胶是通过硅酸钠的酸性溶液浓缩制备的SiOZ凝胶。然而，他试图通过把凝胶中的水转变成超临界流体的方式来制备气凝胶却没有成功。Kistler再尝试首先用水充分洗涤二氧化硅凝胶(从凝胶中去掉盐)，然后用乙醇交换水，通过把乙醇变成超临界流体并使它跑掉，第一个真正的气凝胶形成了。Kistler的气凝胶与现在制备的二氧化硅气凝胶类似，是具有相当大的理论研究价值的透明、低密度、多孔材料。在之后的几年时间里，Kistler详尽地表征了他的二氧化硅气凝胶的特性，并制备了许多有研究价值的其它物质的气凝胶材料，包

括:A1203,W03,Fe203,Sn02、酒石酸镍、纤维素、纤维素硝酸盐、明胶、琼脂、蛋白、橡胶等气凝胶。

后来，Kistler离开了太平洋大学，到Monsanto公司供职。Monsanto公司很快就开始生产商品化的气凝胶产品，Monsanto公司的产品是粒状的Si02材料，虽然其生产工艺无人知晓，但人们推断应当是Kistler的方法。Monsanto公司的气凝胶当时是被用来作化妆品及牙膏中的添加剂或触变剂。在以后的近30年中，有关气凝胶的研究几乎没有什么进展。直到20世纪60年代，随着价格便宜的“烟雾状的(fumed)”Si02的研制开发，气凝胶的市场开始萎缩，Monsant。公司停止了气凝胶的生产。

从此，气凝胶在很大程度上被人淡忘了。直到20世纪70年代后期，法国政府向

ClaudBernard大学的Teichner教授寻求一种能储存氧气及火箭燃料的多孔材料。之后所发生的事情，在从事气凝胶研究的人员中有一种传说。Teichner让他的一个研究生来制备气凝胶并研究其应用，然而，使用Kistler的方法，包括两个耗时、费力的溶剂萃取步骤，他们的第一个气凝胶花了数周时间才制备出来。然后，Teichner告诉这个学生，要完成他的学位论文，将需要大量的气凝胶样品;该学生意识到，如按照Kistler 的方法制备，这要花许多年才能完成，他精神崩溃地离开了Teichner的实验室;经过一段短暂地休息、思考，他又回到了实验室，有一种强烈的动机，激发他去寻找一种更好的Si02气凝胶的合成工艺。经过不懈地努力探索，该学生成功地应用溶胶一凝胶化学法制备出Si02气凝胶，这使气凝胶科学研究前进了一大步。这种方法用正硅酸甲酷(TMOS)代替Kistler所使用的硅酸钠，在甲醇溶液中通过TMOS水解一步产生凝胶(称为“醇凝胶”)，这消除了Kistler方法中的两个缺点，即醇水替换步骤及凝胶中存在无机盐，在超临界甲醇条件下干燥这些醇凝胶，就制备出高质量的Si02气凝胶。后来，Teichner的研究组及其他人使这种方法扩展，制备了多种金属氧化物气凝胶产品。

目前，气凝胶的研制主要集中在德国的BASF公司、DESY公司，美国的劳仑兹利物莫尔国家实验室(LLNL)、桑迪亚国家实验室(SNL)，法国的蒙彼利埃材料研究中心，瑞典的LUND公司以及美国、德国、日本的一些高等院校。在国内，SiO2气凝胶的制备及其特性研究九十年代才开始起步(陈龙武等，1995)。国内的主要研发及生产气凝胶的企业：埃力生、金纳、纳诺、乌江等，当然中国市场还有阿斯彭这样的纯外资企业，只是

国内没有生产。

二氧化硅气凝胶的应用领域

气凝胶材料在输热管道方面的应用

输热管道保温的现状

现在的工业输送供热管道，管道内温度从几十度至5,600度都有。这些管道的保温工程广泛使用硅酸铝镁质材料，玻璃纤维类材料。约30年前，保温工程还几乎都只是采用岩棉，矿物棉类材料，到现在，岩棉保温在工业保温工程中，已被淘汰。在施工性能，防水性能等方面都差别不大的情况下，被淘汰的主要原因就是导热系数的差距。以下为主要几种材料在不同温度下导热系数。

现在我国的保温工程的问题：

●保温结构不合理、保温厚度不规范、保温施工不到位。

●易变形、沉降，热稳定性差，破损率大，后期保温效果差，无法满足工艺要求。

●保温效果差且下降明显，导致保温工程维护成本提升，设备运行费用增加。

●使用寿命基本只有3～5年，到期需全部更换。

●不完全防水，易吸水吸潮腐蚀管道。

●对于超过100度的较高温度的管道，保温层至少需要>200mm厚度，管道线热流密度高，热能损失大。

气凝胶材料带来的好处：

●隔热效果是传统隔热材料2-5倍，高温下优势更明显，而且寿命更长。

●材料整体憎水，可有效防止水分进入管道、设备内部，同时具有A1级防火性能。

●质轻，容易裁剪、缝制以适应各种不同形状的管道、设备保温，且安装所需时间及人力更少。

●更少的包裹体积及更轻的重量可大大降低保温材料的运输成本。

●对设备进行保温的同时，还可以起到吸声降噪、缓冲震动等功能，提高环境质量，保护设备。

●仅需1/2至1/5的厚度即可达到传统材料相同的隔热效果，热损失非常小，空间利用率高。

气凝胶复合保温材料与现流行的保温材料具体性能对比：

气凝胶复合保温材料与现流行的保温材料的经济效益对比：

（以1km，100mm直径，供热温度300度管道为例计算）

实际应用过程中，复合硅酸盐毡在使用2、3个月后，保温效果将越来越差，损失的热量将更大。

气凝胶材料在LNG方面的应用

LNG保温的现状

在LNG工程及其他低温项目建设中，低温、超低温设备涉及到的温度大都在-40至-170摄氏度。最常用的深冷保冷材料主要有PUR/PIR,发泡玻璃，橡塑，改性酚醛泡沫等，这些材料较之于先前使用的珍珠岩材料，无论从性能还是施工方面看，都有了很大的改善。保冷效果的好坏不仅关系到整个设备的输送效率，而且对装置的安全生产也有至关重要的影响。合适的保冷材料不仅能够降低能耗、减少冷量损失，而且为符合环保要求、为企业安全生产和创造更好的效益提供了保障。气凝胶型保温材料的出现，似乎正是为了这种深冷型保温而量身定做，在国内外已经开始广泛应用。