可以承受1300℃高溫的火焰，并且至少在20 分鐘內(nèi)不被燒透。日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)研制出一種仿木氣凝膠。這是一種利用天然生物質(zhì)和天然礦物為原料、具有優(yōu)良隔熱和耐火性能的純天然材料仿木氣凝膠。相關(guān)成果發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（AngewandteChemie International Edition）上。

　　氣凝膠是一種低熱導(dǎo)性的新型納米材料，因密度極低，被稱為“凝固的藍(lán)煙”。氣凝膠具有高比表面積、高空隙率等特殊的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、使用溫度范圍廣、壽命長(zhǎng)。

　　氣凝膠領(lǐng)域近期的研發(fā)成果

　　? ● 俞書宏團(tuán)隊(duì)開發(fā)的耐高溫、低能耗且環(huán)保的氣凝膠

　　研究人員通過表面化學(xué)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下活化微米尺度的木屑顆粒表面，從而暴露出纖維素納米纖維，并成功構(gòu)建了強(qiáng)韌耐用的仿木氣凝膠。這種氣凝膠有著與天然木材類似的取向通道結(jié)構(gòu)，可以大大降低氣凝膠的熱導(dǎo)率，優(yōu)于現(xiàn)有纖維素基氣凝膠材料和各類商用海綿。同時(shí)，加入天然粘土納米片使得這種氣凝膠的耐火性能也有了很大的改善，可以承受1300℃高溫的火焰，并且至少在20 分鐘內(nèi)不被燒透。

　　研究人員認(rèn)為，這種全天然仿木氣凝膠的隔熱和防火性能均優(yōu)于天然巴沙木和大多數(shù)商業(yè)海綿，有望成為現(xiàn)有商業(yè)隔熱材料的理想替代品。

　　此外，其天然的原料來源和低能耗低排放的制備工藝使得這種氣凝膠具有良好的生物降解性和可持續(xù)性，從而可以減少隔熱材料在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

　　● 巴斯大學(xué)衍生公司推出超輕低碳“氣凝膠”絕緣材料

　　不久前，巴斯大學(xué)的一組工程師創(chuàng)建了一家新公司，以氣凝膠為業(yè)務(wù)核心，專門生產(chǎn)超輕“氣凝膠”，用于航空航天和汽車工業(yè)的隔音和隔熱材料。

　　該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了一種使用石墨烯生產(chǎn)氣凝膠的方法，這種氣凝膠可以保持其形狀和強(qiáng)度，而不會(huì)導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)崩潰。

　　除了可調(diào)節(jié)的聲學(xué)特性，超輕氣凝膠還具有其他功能特性，如隔熱、防火和電磁干擾屏蔽。聲學(xué)特性和其他功能特性的結(jié)合提供了一種在許多工業(yè)領(lǐng)域具有巨大影響的材料。特別是，這種材料滿足航空航天領(lǐng)域特定工程應(yīng)用的功能，為密度極低的材料創(chuàng)造了理想聲學(xué)性能。

　　該公司表示，通過初步計(jì)算，像英國(guó)航空公司這樣280 架飛機(jī)的機(jī)隊(duì)，通過使用其氣凝膠材料，能夠達(dá)到約50% 的材料減重，預(yù)計(jì)每年可以減少30-90 噸二氧化碳排放。

　　● 木材工業(yè)研究所開發(fā)的木質(zhì)纖維素氣凝膠

　　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)氣凝膠與木材骨架基體復(fù)合，首創(chuàng)了第三代木質(zhì)纖維素氣凝膠。

　　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)，對(duì)油污吸附能力高達(dá)自身質(zhì)量的75—300 倍，體積用量縮減50%—75%，可降解、可再生。

　　性能優(yōu)異的氣凝膠材料

　　氣凝膠是一種具有納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并在孔隙中充滿氣體的固體材料，該結(jié)構(gòu)帶來無對(duì)流效應(yīng)、無窮多遮擋板效應(yīng)、無窮長(zhǎng)路徑效應(yīng)。其隔熱的原理在于均勻致密的納米孔及多級(jí)分形孔道微結(jié)構(gòu)可以有效阻止空氣對(duì)流，降低熱輻射和熱傳。

　　1931 年，美國(guó)科學(xué)工作者基斯特勒（Kistler）和他的朋友打了個(gè)賭：兩人相約看誰能將凝膠內(nèi)的液體換成氣體，同時(shí)不使固體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

　　試想一下，以果凍為例，如果想通過蒸發(fā)的方式，將凝膠內(nèi)的液體與固體分離，必然會(huì)造成果凍收縮和結(jié)構(gòu)坍塌。但是神奇的一幕出現(xiàn)了——經(jīng)歷一次又一次實(shí)驗(yàn)，基斯特勒最終通過酒精超臨界干燥技術(shù)解決了這個(gè)難題，世界上第一塊氣凝膠就此誕生。不過，這個(gè)時(shí)候的氣凝膠制備工藝耗時(shí)長(zhǎng)、難度大，并沒有得到廣泛應(yīng)用。

　　直到20 世紀(jì)70 年代，科學(xué)家以甲醇溶劑作為超臨界干燥介質(zhì)，制備出二氧化硅氣凝膠，氣凝膠的制備工藝因此大大簡(jiǎn)化，沉睡了40 多年的氣凝膠研究領(lǐng)域開始蘇醒。

　　如今，氣凝膠已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的家族。這個(gè)大家族里，主要分為3 部分成員：無機(jī)氣凝膠、有機(jī)氣凝膠和有機(jī)- 無機(jī)雜化氣凝膠。

　　近年來，中國(guó)、美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)的研究人員通過改進(jìn)氣凝膠制備工藝，開發(fā)出生物質(zhì)基氣凝膠等多種新型氣凝膠。它們或柔軟或堅(jiān)硬，或?qū)щ娀蚪^緣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

　　例如，1 月10 日，河南省新鄉(xiāng)蒸汽管網(wǎng)項(xiàng)目全面通過驗(yàn)收。蒸汽管網(wǎng)對(duì)防腐、保溫要求極高，因此，其管道選用了高溫離心玻璃棉及納米氣凝膠復(fù)合保溫材料。項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人表示，納米氣凝膠隔熱效果是傳統(tǒng)隔熱材料的2—5倍，可極大提高施工質(zhì)量和施工效率，降低施工成本。

　　據(jù)中國(guó)石油管道科技研究中心評(píng)估，以350 攝氏度蒸汽管道的保溫應(yīng)用為例，相比于傳統(tǒng)保溫材料，氣凝膠的保溫層厚度可減少2/3，節(jié)約能耗40% 以上，每公里管道每年可減少二氧化碳排放125 噸。

　　作為目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最低、密度最小的固體材料，氣凝膠可謂是材料領(lǐng)域的“隔熱王者”，并已在航天、石化等領(lǐng)域應(yīng)用?！犊茖W(xué)》雜志2021年將氣凝膠列為十大熱門科學(xué)技術(shù)之一，并稱其為“可以改變世界的多功能新材料”。

　　新崛起的氣凝膠產(chǎn)業(yè)

　　氣凝膠材料利用通常為氣凝膠保溫板、氈、墊等復(fù)合材料形式。氣凝膠材料本身強(qiáng)度低、脆性大，其直接使用受到限制，因此通常將其與有機(jī)聚合物、纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行復(fù)合，制備得到兼具剛性和柔性的保溫材料。

　　常用的復(fù)合材料包括玻璃纖維、預(yù)氧絲、陶瓷纖維等。在具體使用過程中，還可以將氣凝膠復(fù)合材料外表包覆膜材料、玻璃布等，避免氣凝膠復(fù)合材料掉粉、破碎，進(jìn)一步地保障其完整性以最大化保溫功效。

　　氣凝膠最初被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事工業(yè)和石化領(lǐng)域等高端技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)的“火星探路者”運(yùn)載火箭和俄羅斯的“和平”號(hào)空間站，都采用了硅氣凝膠作為隔熱保護(hù)材料，在“中國(guó)空間站”、“神州載人飛船”、“祝融號(hào)火星車”、“長(zhǎng)征系列火箭”等中國(guó)航天領(lǐng)域，氣凝膠也得到了應(yīng)用。

　　除此以外，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，氣凝膠在新能源汽車電池方面起到了“防火墻”的作用。

　　此外，在寒冷的冬季，因?yàn)闅饽z對(duì)電芯有著絕佳的保溫效果，所以還能防止電動(dòng)車因天氣過冷而導(dǎo)致電池續(xù)航能力降低。

　　氣凝膠材料的發(fā)展前景

　　根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2022-2027 年二氧化硅氣凝膠行業(yè)市場(chǎng)投資空間及企業(yè)IPO 上市環(huán)境綜合評(píng)估報(bào)告》顯示，氣凝膠作為新材料之一，與傳統(tǒng)材料相比，具有效率高、使用壽命長(zhǎng)、輕量化等優(yōu)勢(shì)，在新能源汽車、海洋工程、航空航天、國(guó)防軍事等高科技產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛。

　　近年來，全球氣凝膠市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2030 年，全球氣凝膠市場(chǎng)規(guī)模將突破40.0 億美元。二氧化硅氣凝膠作為氣凝膠市場(chǎng)細(xì)分產(chǎn)品，具有產(chǎn)業(yè)化程度高、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)氣凝膠市場(chǎng)近七成的份額。

　　氣凝膠是罕見的可以同時(shí)滿足防火、防水、隔熱、隔音等多種需求的材料。氣凝膠的發(fā)展和應(yīng)用仍然處于不斷探索的過程，未來的研究方向主要集中在開發(fā)纖維素氣凝膠、石墨烯氣凝膠、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氣凝膠、非金屬單質(zhì)氣凝膠等新型氣凝膠上。

　　隨著工藝進(jìn)步和行業(yè)進(jìn)一步規(guī)?；?，氣凝膠有望逐步替代傳統(tǒng)絕熱材料，尤其是在工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域速度加快。行業(yè)將整體由導(dǎo)入期向成長(zhǎng)期過渡，全產(chǎn)業(yè)鏈有望迎來發(fā)展機(jī)遇?！?/p>

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