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”、“藍煙”。曾被《科學》雜志譽為“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“吉尼斯世界紀錄”。氣凝膠由90%以上的空氣和不足10%的固體構成，它可以承受相當于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達到1200℃時才會熔化。此外它的導熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。

    關于氣凝膠有一個廣為傳播的典故，它的誕生源于美國科學家Steven. S. Kistler與朋友的一次打賭，看誰能夠將果凍內(nèi)的液體換成氣體同時不使固體結構發(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，由于毛細管力的強大作用，必然會導致固體的收縮和結構坍塌。經(jīng)過不斷的探索，Kistler終于用超臨界干燥技術完美地解決了這個世界難題，制備了出世界上第一塊SiO₂氣凝膠。1931 年，Nature 雜志上發(fā)表標題為《共聚擴散氣凝膠與果凍》標志著氣凝膠的正式問世。

     氣凝膠的發(fā)展經(jīng)歷了第一代無機氣凝膠和第二代有機聚合物氣凝膠第一代無機氣凝膠主要采用SiO₂、 TiO₂ 、Al₂O₃等無機物制備，其機械性能差、易碎。第二代有機聚合物氣凝膠利用間苯二酚-甲醛等有機聚合物制備獲得，其機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，其具有良好的機械性能且可降解、可再生。

    二、木材氣凝膠的優(yōu)良特性

    中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所盧蕓研究員團隊以木材為基質(zhì)，將無機、有機物氣凝膠與木材骨架基體復合首創(chuàng)了第三代氣凝膠型木材新材料。并且通過對木材及生物質(zhì)廢棄物纖維素的調(diào)控，將纖維素比表面積提高了7個數(shù)量級，研發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權的第三代木質(zhì)纖維素氣凝膠。所研發(fā)的木材氣凝膠導熱系數(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)，界面潤濕性可控。產(chǎn)品對油污的吸附能力高達自身質(zhì)量的75-300倍，體積用量縮減50-75%，具備良好的機械性能，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。盧蕓研究員團隊在氣凝膠研發(fā)領域授權國家發(fā)明專利18件，榮獲梁希林業(yè)科學技術獎一等獎1項。

   三、氣凝膠的應用領域

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

 1、航空航天領域應用

   與傳統(tǒng)絕熱材料相比，氣凝膠超級絕熱材料可以用更輕的質(zhì)量、更小的體積達到等效的隔熱效果，這一特點使其在航空航天應用領域具有舉足輕重的優(yōu)勢。航空發(fā)動機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)動機重量。

    2、工業(yè)保溫領域應用

   工業(yè)節(jié)能中，納米孔超級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，在化工領域設備的保溫上應用更加適合。

   3、建筑領域應用

    氣凝膠及其復合材料在不同建筑領域，有不同的應用，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、交通領域應用

       因氣凝膠具備良好的隔熱保溫和隔聲性能，在交通領域主要應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，危險化學品運輸車、液化天然氣運輸船等特種運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)境領域應用

    凝膠因其極大的比表面積及其特殊的納米多孔網(wǎng)狀結構，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、運動鞋、服裝的填充層，在較低溫度下進行保溫?，F(xiàn)在高端化妝品行業(yè)、體育用品行業(yè)也將氣凝膠應用于產(chǎn)品中。隨著人們對氣凝膠的認識和研究的普及，相信它的應用領域會越來越大。

   四、結語

    氣凝膠從發(fā)現(xiàn)至今其技術步入成熟階段，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)模的不斷擴大，一些新興應用不斷開發(fā)出來，氣凝膠市場日益成熟。2010年開始，國內(nèi)首批氣凝膠生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)成功開拓了工業(yè)設備管道節(jié)能、新能源汽車安全防護、軌交車廂及船體防火隔熱保溫的應用市場。2020年中國氣凝膠制品產(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。在國家大力提倡節(jié)能的背景下，保溫材料市場容量將大幅增加。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”目標下，自身也面臨保溫材料生產(chǎn)過程中的能耗需要進一步降低，保溫性能需要進一步提升等問題。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替代產(chǎn)品。氣凝膠材料在國家發(fā)展改革委發(fā)布《國家重點節(jié)能低碳技術推廣目錄》（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家產(chǎn)業(yè)升級、綠色低碳技術相關政策支持，這些在“雙碳”目標下，將轉化為自身發(fā)展的重大機遇。

聯(lián)系人：盧蕓

聯(lián)系電話：18612541186

電子郵箱：y.lu@caf.ac.cn