一、氣凝膠的前世今生

    氣凝膠是目前世界上密度最小的固體。被稱為“凝固的煙”、“藍(lán)煙”。曾被《科學(xué)》雜志譽(yù)為“可以改變世界的神奇材料”。氣凝膠憑借極低的密度、極小的孔徑、極低的隔熱系數(shù)、極低的聲音傳播速度等創(chuàng)下15 項(xiàng)“吉尼斯世界紀(jì)錄”。氣凝膠由90%以上的空氣和不足10%的固體構(gòu)成，它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達(dá)到1200℃時(shí)才會(huì)熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強(qiáng)39倍。

    關(guān)于氣凝膠有一個(gè)廣為傳播的典故，它的誕生源于美國(guó)科學(xué)家Steven. S. Kistler與朋友的一次打賭，看誰能夠?qū)⒐麅鰞?nèi)的液體換成氣體同時(shí)不使固體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。眾所周知，如果直接通過蒸發(fā)將膠體中的液體與固體分離，由于毛細(xì)管力的強(qiáng)大作用，必然會(huì)導(dǎo)致固體的收縮和結(jié)構(gòu)坍塌。經(jīng)過不斷的探索，Kistler終于用超臨界干燥技術(shù)完美地解決了這個(gè)世界難題，制備了出世界上第一塊SiO₂氣凝膠。1931 年，Nature 雜志上發(fā)表標(biāo)題為《共聚擴(kuò)散氣凝膠與果凍》標(biāo)志著氣凝膠的正式問世。

     氣凝膠的發(fā)展經(jīng)歷了第一代無機(jī)氣凝膠和第二代有機(jī)聚合物氣凝膠第一代無機(jī)氣凝膠主要采用SiO₂、 TiO₂ 、Al₂O₃等無機(jī)物制備，其機(jī)械性能差、易碎。第二代有機(jī)聚合物氣凝膠利用間苯二酚-甲醛等有機(jī)聚合物制備獲得，其機(jī)械性能得到了很好的提升，但環(huán)境不友好。目前氣凝膠發(fā)展到第三代，主要是基于天然高分子聚合物的制備氣凝膠，其具有良好的機(jī)械性能且可降解、可再生。

    二、木材氣凝膠的優(yōu)良特性

    中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所盧蕓研究員團(tuán)隊(duì)以木材為基質(zhì)，將無機(jī)、有機(jī)物氣凝膠與木材骨架基體復(fù)合首創(chuàng)了第三代氣凝膠型木材新材料。并且通過對(duì)木材及生物質(zhì)廢棄物纖維素的調(diào)控，將纖維素比表面積提高了7個(gè)數(shù)量級(jí)，研發(fā)了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代木質(zhì)纖維素氣凝膠。所研發(fā)的木材氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)低至0.032 W/m.k，孔隙率在98.5-99.8%之間；且具備可調(diào)、可控性，其密度0.2-6 mg/cm³可調(diào)，厚度0.5-20 cm可調(diào)，界面潤(rùn)濕性可控。產(chǎn)品對(duì)油污的吸附能力高達(dá)自身質(zhì)量的75-300倍，體積用量縮減50-75%，具備良好的機(jī)械性能，且可降解、可再生。目前已研制親水和超疏水木材氣凝膠兩大系列產(chǎn)品，疏水木材氣凝膠水接觸角在150-156°之間，具有彈性和形狀記憶性。盧蕓研究員團(tuán)隊(duì)在氣凝膠研發(fā)領(lǐng)域授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利18件，榮獲梁希林業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

   三、氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域

   隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，木材作為具有固碳作用、質(zhì)輕高強(qiáng)的可再生材料，受到建筑、塑料等行業(yè)的廣泛關(guān)注。由于木材氣凝膠與天然木材相比，具有更低的密度、更低的導(dǎo)熱系數(shù)和更高的可變形性，使得其在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用或潛在的應(yīng)用前景。

 1、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

   與傳統(tǒng)絕熱材料相比，氣凝膠超級(jí)絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到等效的隔熱效果，這一特點(diǎn)使其在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域具有舉足輕重的優(yōu)勢(shì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱材料使用氣凝膠既能起到極好的隔熱作用，又減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量。

    2、工業(yè)保溫領(lǐng)域應(yīng)用

   工業(yè)節(jié)能中，納米孔超級(jí)絕熱材料也起著非常重要的作用，其中有些特殊的部位和環(huán)境，由于受重量、體積和空間的限制，氣凝膠超級(jí)絕熱材料就可以發(fā)揮更大的作用。而且氣凝膠的耐高溫防火特性，在化工領(lǐng)域設(shè)備的保溫上應(yīng)用更加適合。

   3、建筑領(lǐng)域應(yīng)用

    氣凝膠及其復(fù)合材料在不同建筑領(lǐng)域，有不同的應(yīng)用，可以起到卓有成效的節(jié)能效果。材料包括氣凝膠氈/板、氣凝膠保溫砂漿、氣凝膠陽光板，氣凝膠隔熱涂料等。

     4、交通領(lǐng)域應(yīng)用

       因氣凝膠具備良好的隔熱保溫和隔聲性能，在交通領(lǐng)域主要應(yīng)用在汽車防火隔熱保溫降噪層、大容量電池組防火防水保溫盒，危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車、液化天然氣運(yùn)輸船等特種運(yùn)輸工具的保溫防火層，高鐵和地鐵車體保溫隔熱降噪防火層等。

    5、環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用

    凝膠因其極大的比表面積及其特殊的納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有很好的吸附性能，是活性炭吸附能力的6倍，可廣泛應(yīng)用于廢水處理、水體凈化和油污吸附以及VOCs氣體吸附，是一種新型綠色環(huán)保吸附材料。

    6、日常方面應(yīng)用

     氣凝膠在日常生活中也大有用武之地。氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能，可作為鞋墊、運(yùn)動(dòng)鞋、服裝的填充層，在較低溫度下進(jìn)行保溫。現(xiàn)在高端化妝品行業(yè)、體育用品行業(yè)也將氣凝膠應(yīng)用于產(chǎn)品中。隨著人們對(duì)氣凝膠的認(rèn)識(shí)和研究的普及，相信它的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越大。

   四、結(jié)語

    氣凝膠從發(fā)現(xiàn)至今其技術(shù)步入成熟階段，目前正處在產(chǎn)業(yè)化浪潮的快速發(fā)展中。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一些新興應(yīng)用不斷開發(fā)出來，氣凝膠市場(chǎng)日益成熟。2010年開始，國(guó)內(nèi)首批氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)成功開拓了工業(yè)設(shè)備管道節(jié)能、新能源汽車安全防護(hù)、軌交車廂及船體防火隔熱保溫的應(yīng)用市場(chǎng)。2020年中國(guó)氣凝膠制品產(chǎn)量約為12.6萬噸，氣凝膠材料產(chǎn)量約為10萬立方米，氣凝膠行業(yè)規(guī)模約29.9億元。

    站在國(guó)家“雙碳”和“十四五”高質(zhì)量發(fā)展的賽道上，氣凝膠行業(yè)一定是大有可為的。在國(guó)家大力提倡節(jié)能的背景下，保溫材料市場(chǎng)容量將大幅增加。傳統(tǒng)的保溫材料雖然具有一定保溫性能，也能一定程度上滿足原先化工、電力、鋼鐵等行業(yè)的節(jié)能要求，但是在“雙碳”目標(biāo)下，自身也面臨保溫材料生產(chǎn)過程中的能耗需要進(jìn)一步降低，保溫性能需要進(jìn)一步提升等問題。氣凝膠保溫材料性能優(yōu)異，正是傳統(tǒng)保溫材料的革命性升級(jí)替代產(chǎn)品。氣凝膠材料在國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布《國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》（2014~2017年）中多次被列入。橫跨新材料和節(jié)能環(huán)保兩大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，自身發(fā)展過程中也能享受很多國(guó)家產(chǎn)業(yè)升級(jí)、綠色低碳技術(shù)相關(guān)政策支持，這些在“雙碳”目標(biāo)下，將轉(zhuǎn)化為自身發(fā)展的重大機(jī)遇。

聯(lián)系人：盧蕓

聯(lián)系電話：18612541186

電子郵箱：y.lu@caf.ac.cn