氣凝膠材料及其應用

王 亮 山西宏廈建筑工程第三有限公司

1 前言

作為當前氣凝膠材料新一輪產業化的主陣地，我國氣凝膠市場規模龐大。公開資料顯示，2019年全球二氧化硅（SiO2）氣凝膠市場規模達22億元，而我國占比超過50%。從應用領域上看，能化領域是氣凝膠材料的主要應用市場，2019年氣凝膠下游應用中，能化領域市場占比達到82%；建筑材料領域雖然在當前氣凝膠下游應用市場占比不高，但建材市場空間廣闊，有望成為氣凝膠的第2大應用場景；由于氣凝膠制成的隔熱片可以有效防止鏗離子動力電池箱中某塊電池單體過熱造成的連鎖效應，解決三元鏗電池的安全痛點，新能源交通工具或將成為氣凝膠在交通領域的主要增長引擎。

2 氣凝膠功能性研究

CNK工文獻現有研究顯示，氣凝膠材料的特殊功能。包含但不局限于熱效應、光電效應、壓電效應、介電效應、磁效應、力學效應、高化學性和表面活性等。雖然氣凝膠材料具有較多功能性，但目前研究主要集中在熱效應應用方面以及充分利用其絕熱性、表面活性和高化學性的催化領域應用方面。

目前氣凝膠的研究，主要集中在氣凝膠材料催化、絕熱、生物醫藥3個方面。同時，數據顯示在絕熱研究方向已經建立了相關標準，說明氣凝膠材料在絕熱研究方面已經趨于工業化。在生物醫藥方面文獻數量，顯示了氣凝膠材料在生物醫藥方面存在巨大的經濟市場。另外，科研工作者正逐步開發氣凝膠材料的其他特性應用。

如中國科學技術大學俞書宏教授課題組以殼聚糖作三維軟模板，研發了一種酚醛樹脂（PFR）與二氧化硅（SiO2）共聚和納米尺度相分離的合成新策略，成功研制了具有雙網絡結構的PFR/SiO2復合氣凝膠材料。該復合氣凝膠纖維的尺寸在20nm以內，具有雙網絡結構的樹枝狀的微觀結構，且兩種組分各自都成連續的網絡。同時實現了有機、無機組分在納米尺度上的均勻分散，并且兩組分間具有很強的界面相互作用。研究人員通過調控硅源的添加量，調控復合氣凝膠的密度、無機含量、力學強度等物理參數。

經研究，這種復合氣凝膠材料可以承受60%的壓縮而不破裂，具有一定的機械強度和可加工性。該復合氣凝膠具有良好的隔熱效果，最低熱導率可達24mW/(m·K)，在相對低溫和低濕度的環境下，其熱導率維持在28mW/(m·K)，性能優于傳統的發泡聚苯乙烯等材料。同時，這種材料在防火方面展現出優異的性能，可以避免在發生火災時建筑物承力結構的失效，為人員撤離爭取了時間。

3 氣凝膠材料細分領域的研究

氣凝膠材料按照有機無機分類可分為有機氣凝膠和無機氣凝膠，按照材料中的主要成分又有SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠等。對于細分領域的研究狀況，抽取了關注度較高的SiO2氣凝膠、石墨烯氣凝膠和有機氣凝膠（大類）進行分析。

調查數據顯示，除目前已開始逐步工業化的SiO2氣凝膠材料研究比較火熱外，石墨烯氣凝膠材料的研究也異常火爆。無論在學術期刊還是在學位專業選修方面都引起科學工作者的高度關注，并投入了大量精力。石墨烯氣凝膠材料引起科學工作者高度關注的主要原因是，石墨烯本身是一種關注度極高的新材料，而氣凝膠新材料又被譽為21世紀超級新材，強強結合必然會提升石墨烯氣凝膠材料所特有性能及其未來應用的經濟價值。雖然目前還沒有石墨烯氣凝膠材料工業化生產案例，但預計未來可能會占據主導市場。

通過對相關文獻分析，石墨烯氣凝與不同新材料復合，開發并優化材料特性的思路，開拓了氣凝膠材料研究的新篇章。

石墨烯氣凝膠作為相變儲能骨架材料。在這一結構設計中，石墨烯氣凝膠中的石墨烯片層上均勻地鍍上了銅層，且不同片層之間被銅鍍層所連接。這種銅鍍層不但增強石墨烯氣凝膠網絡結構，并賦予復合材料良好的導熱性和骨架穩定性，有利于增強相變換熱和抑制相變過程中的泄漏。此外，通過真空浸漬法將十八胺封裝在骨架中，獲得了結構穩定性高、泄漏率低的復合相變材料，保證了ODA在骨架材料中的均勻分散和填充。此外，其他科學工作者也對石墨烯氣凝膠進行了大量的研究，在導電、電化學、催化、新能源等方面都取得很大進展。

目前，有機氣凝膠方面的研究數量雖然較少，但有機材料充斥人們的生活，有機氣凝膠的材料的研究必然賦予有機材料更多功能，有機氣凝膠材料也將會成為材料細分領域工業化最多的產品形式之一。

4 氣凝膠材料專利現狀分析

對氣凝膠材料相關專利進行分析，從專利申請態勢、申請人類型、研究熱點等角度了解當前氣凝膠材料的應用現狀及前景。在incopat專利檢索平臺對相關專利進行檢索，共檢索到專利4923條。

近十年我國氣凝膠在領域的研究熱度持續攀升，專利申請量從2011年的57件上升到2018年的908件（2019年，2020年專利未完全公開）。我國專利申請中，大部分為發明專利，占比達88.7%，其次是實用新型專利，占比為11.1%，外觀設計專利較少，僅占0.2%。

對發明專利情況做進一步分析可知，發明專利授權率和有效率較高，分別64.07%和87.13%，表明本領域的專利質量較高；相較之下，氣凝膠領域發明專利的轉讓率略低，為12.94%，這或許是因為企業作為申請人的發明專利占比較高。對我國氣凝膠領域專利的申請人類型進行了分析，有44%的專利申請來自企業，其次是大專院校、科研機構和個人，分別占39%，9%和7%，同樣說明了企業在氣凝膠材料領域研發與應用的主體地位。

為分析當前氣凝膠領域的研究熱點，利用incopat平臺聚類分析，對專利關鍵詞進行聚類分析并對平臺給出結果進一步篩選優化。

從聚類結果上看，氣凝膠領域的專利研究主題主要集中在材料，炭氣凝膠、氧化硅氣凝膠、納米纖維素、復合材料等，表明當前SiO2氣凝膠、炭氣凝膠仍是當前應用研究的熱點，而復合是氣凝膠材料的改善性能的主流方向；在產品方面，保溫玻璃、氣凝膠粉體、氣凝膠氈等產品專利較多，值得一提的是，氣凝膠在鏗離子動力蓄電池應用方面也有一定專利，表明鏗離子電池隔熱片或許是氣凝膠應用的重點方向；在制備方法上，專利研究主要集中在超臨界法、射頻輻射和常壓干燥。

5 氣凝膠材料的分類及應用

從應用產品形式分類，氣凝膠主要可以分為氣凝膠氈、氣凝膠板、氣凝膠顆粒和氣凝膠涂料。

5.1 氣凝膠氈

目前，氣凝膠氈類產品主要是以納米級SiO2氣凝膠為主，通過一定工藝與碳纖維或玻璃纖維棉或預氧化纖維氈復合而成的柔性保溫氈。氣凝膠氈的主要特點是導熱系數低，隔熱效果是傳統隔熱材料2～5倍，能夠有效降低保溫層厚度；其次，氣凝膠氈相對憎水，可有效防止水分進入管道或設備內部；此外，氣凝膠氈質輕、易剪裁等特點大大降低了運輸、安裝和使用成本。因此，氣凝膠氈被廣泛用于工業管道、工業爐體、電廠、軍艦艙壁、動車等領域。

5.2 氣凝膠板

氣凝膠板是氣凝膠與其他材料復合制成的板材，與氣凝膠氈的主要差異在于其不是在溶膠階段與纖維材料復合，是以氣凝膠材料或氣凝膠材料為主的復合材料作為芯材，再與纖維、顆粒、砂漿、金屬、有機聚合物等材料經過后期二次成型制得的剛性板材，可用于建筑、機器、設備等領域，最大程度地滿足不同客戶對保溫層厚度、耐溫及強度的要求。

5.3 氣凝膠顆粒

目前的氣凝膠顆粒產品主要是多孔、輕質且疏水的無定形SiO2氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒的制備方法成熟，一般是通過常壓干燥成型的方法直接制備氣凝膠粉體材料，或者先利用超臨界方法制備大塊氣凝膠，然后通過不同破碎方法，得到不同粒徑氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒兼具高內部容量與超高疏水性的特點，正日益在多種應用場景中得到運用，例如有機過濾和固存、填充聚合物補強、個人護理產品中的油脂吸收、觸變性/流變性改性等。但是，因粉體材料不易成型，SiO2氣凝膠粉末顆粒一般不單獨作為隔熱保溫材料使用，常見的用途是作為涂料添加劑或采光玻璃中的填充層。

5.4 氣凝膠涂料

目前，氣凝膠涂料產品主要是以自交聯丙烯酸乳液為成膜物，以SiO2氣凝膠、空心玻璃微珠、六欽酸鉀晶須等為填料，在多種助劑的配合下制備而成。氣凝膠涂料具有薄層噴涂施工、納米孔絕熱、安全防火、環保節能、性價比高，無脫落風險等優點。當前，氣凝膠涂料主要應用領域是建筑保溫隔熱，用于管道彎頭、閥門、接頭接縫等異型管道及設備保溫的填縫、粘結及修補。隨著產品的進一步開發，除SiO2氣凝膠之外，陶瓷類氣凝膠、石墨烯氣凝膠等其他類型的氣凝膠粉體也逐步應用到氣凝膠涂料中，以改善目前SiO2氣凝膠涂料在耐熱、強度方面的不足。

6 結束語

整體來看，我國的氣凝膠產業起步基本與國際同步，且發展勢頭強勁，年產量、消費量增速快，產業規模擴張迅速。雖然當前產品主要集中在工業管道保溫領域，但是隨著應用領域的不斷拓寬，建筑和新能源汽車領域市場逐漸打開，未來市場前景廣闊。

近十年，我國氣凝膠領域專利申請量增長迅速，反映我國氣凝膠領域的研究與應用熱度持續攀升，而企業是當前專利申請的主要力量，表明我國氣凝膠材料產業化進程中企業占主導地位。此外，氣凝膠領域的專利整體質量較高。從氣凝膠專利的主題詞聚類結果來看，材料是關注的熱點，當前主要集中在SiO2氣凝膠，其中纖維復合改性是研究較多的方法；產品的專利申請主要圍繞氣凝膠氈、氣凝膠板等傳統產品，而鏗離子動力蓄電池也成為關注的熱點。

我國主要企業的產品主要集中在氣凝膠顆粒、氣凝膠氈、氣凝膠板等相對接近原材料的產品，缺乏下游成型產品或配套服務，產業鏈有待進一步延伸。從企業專利布局來看，多為實用新型專利，主要集中在產品或設備。發明專利則在材料、制備方法上的比較集中，分別關注SiO2氣凝膠以及超臨界法。