世界上最轻固体的那些事儿:气凝胶行业的现状与展望

王明

新材料、仪器仪表、大数据

  • 2019-09-17
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国内市场一半以上的气凝胶产品依赖进口,美国航空航天局下属的阿斯彭气凝胶公司(Aspen Aerogels)制造工艺领先,市场占有率高,去年由于国际贸易,它与国内企业纳诺科技和广东埃力生发生了知识产权纠纷。

  摘要:气凝胶的诞生源于一次美国化学家Samuel Kistler与Charles Learned的赌局:看谁能够将凝胶内的液体换成气体同时不改变固体结构?1931年,《自然》杂志(第127卷,第741页)发布论文《共聚扩散气凝胶与果冻》,Kistler正式提出了超临界干燥技术。之后,气凝胶因为其90%以上是空气,以世界上密度最低的固体,入选《吉尼斯世界纪录》。本文针对这种独特的材料,对其行业现状和发展前景进行了解析。

  也曾生不逢时,气凝胶的绝热性能无与伦比

  任何材料的商业化之路都充满着艰辛和考验,气凝胶也不例外。在Kistler将气凝胶的专利授权给美国孟山都公司后。它主要是用作化妆品和牙膏中的添加剂或触变剂,也用作油漆的增稠剂。因为其散光性可以使墨水和涂料产生一种雾面的效果,后来还被用于墨水和涂料行业。那时候,其绝热性能一直被市场边缘化,下游应用需求并不旺盛,再加上它高昂的生产成本和极具危险性的生产工艺,上世纪70年代,孟山都公司宣布气凝胶停产。

  后来,随着法国、德国科学家及美国国家宇航局对气凝胶生产工艺迭代式改进,气凝胶成为优异的火星探测器和宇航服的绝热材料,它与常见保温材料的绝热性能对比见表1,为了更直观的呈现,相同效果下,四种保温材料厚度对比见图1。

表1 保温材料性能对比

(来源:《硅酸盐通报》)

  

图1 相同效果下,四种保温材料厚度对比  

(来源:中国粉体网)

  由此可见,气凝胶的绝热性能无与伦比,虽然它已经从实验室阶段步入商业化应用阶段,但是其大范围应用并没有推广开来。2017全国气凝胶材料创新应用研讨会上,工信部原材料司建材处相关人员表示,当前制约气凝胶大规模应用的因素是价格和生产工艺。

  国内市场一半依赖进口,行业产销缺口大

  2016年,我国气凝胶国产售价在40万-70万/吨,进口气凝胶达到15万美元/吨。产量为1.83万吨,消费量为4.01万吨,进口约为2.18万吨,但是很少出口。国内市场一半以上的气凝胶来自进口,产销缺口较大。在过去的5年间,气凝胶产量年复合增长率为31.07%,消费量的增速为产量增速一半左右,我国气凝胶市场处于高速增长期,如图2所示。

 

图2 我国气凝胶行业产销情况  

(来源:银川滨投集团)

  国内气凝胶生产企业起步较晚,数量较少,大多数企业能够生产气凝胶粉体颗粒,但能够生产气凝胶复合材料产品的仅有纳诺科技、广东埃力生等少数几家企业,其产能如下表。

表2 中国主要气凝胶生产企业产能

(来源:公开资料整理)

  投资热度不减,高端材料民用化指日可待

  2018年9月1日,我国第一个气凝胶材料的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》正式实施,标志着国家领导下的气凝胶产业化已经步入正轨。原来由于生产成本居高不下,气凝胶被大量应用的领域为:航空航天、石油化工、军工这些对价格不敏感的行业。但是随着资本的追逐,气凝胶投产项目已经在中国遍地开花,如表3所示。

表3 气凝胶行业企业投资一览

(来源:公开资料整理)

  结语

  从全球的角度看,经过80多年的发展,气凝胶材料的生产工艺并不成熟,行业仍然处于成长期。截止目前,气凝胶已经创下了15项吉尼斯世界纪录,其热、力、声、光、电等方面的优异性能有待进一步产品化提升。

  国内市场一半以上的气凝胶产品依赖进口,美国航空航天局下属的阿斯彭气凝胶公司(Aspen Aerogels)制造工艺领先,市场占有率高,去年由于国际贸易,它与国内企业纳诺科技和广东埃力生发生了知识产权纠纷。最近几年气凝胶的相关标准已经出台,资本市场热捧,产业化进程加速,未来高端材料民用化指日可待。

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