關(guān)于中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)的幾點(diǎn)思考

導(dǎo)語：

　　這是一組關(guān)于中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展思考的文章。僅為拋磚引玉，歡迎更多業(yè)內(nèi)同仁可以在后臺(tái)積極參與討論，共同做大做強(qiáng)氣凝膠產(chǎn)業(yè)。

　　序

　　氣凝膠，是一種具有納米多孔結(jié)構(gòu)的新型材料，1931年由美國Kistler.S.發(fā)明，因輕若薄霧藍(lán)色泛藍(lán)，又被稱為“藍(lán)煙”、“凍結(jié)的煙”，創(chuàng)下15項(xiàng)吉尼斯紀(jì)錄，在熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域顯示許多奇特的性能，被稱為改變世界的神奇材料，列入20世紀(jì)90年代以來10大熱門科學(xué)技術(shù)之一，是具有巨大應(yīng)用價(jià)值的軍民兩用技術(shù)。

　　氣凝膠因成分不同，主要有二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠和碳?xì)饽z等。當(dāng)前，二氧化硅氣凝膠的絕熱性能最為引人注目，技術(shù)成熟，國內(nèi)外氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應(yīng)用展開，下文如未特別說明，所稱氣凝膠均為二氧化硅氣凝膠。

　　氣凝膠因納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)80～99.8％，室溫導(dǎo)熱系數(shù)可低達(dá)0.013w/(m•k)，是迄今為止絕熱性能極好的材料，在航空航天、石油化工、電力冶金、船舶車輛、精密儀器、冰箱冷庫、服裝帳篷、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的有廣闊的應(yīng)用前景，是傳統(tǒng)隔熱材料革命性替代產(chǎn)品。

　　伴隨著中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能降耗政策的持續(xù)大力推進(jìn)，以及中國實(shí)施多年的納米材料戰(zhàn)略，氣凝膠材料近年來受到了政府、學(xué)術(shù)界、企業(yè)界和投資界的廣泛關(guān)注。

　　氣凝膠是中國正在逐步顯示出的與世界同行幾乎同步且具有較強(qiáng)競爭力的高新技術(shù)及產(chǎn)品之一，某種意義上，中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對世界氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生越來越大的影響。

　　當(dāng)前，中國大學(xué)在氣凝膠領(lǐng)域研究的深度和廣度，中國企業(yè)在低成本氣凝膠制造技術(shù)方面的鍥而不舍，均走在了世界的前面?；蛟S未來我們會(huì)看到有一家企業(yè)成為氣凝膠領(lǐng)域的華為，依靠技術(shù)創(chuàng)新和低成本在全球攻城拔寨。

　　如果這一天到來，國內(nèi)所有從事氣凝膠行業(yè)的人員應(yīng)該感到欣慰，因?yàn)橛錾狭撕玫臅r(shí)代。

　　一、國內(nèi)外氣凝膠的市場情況

　　1.1. 全球氣凝膠市場情況

　　Allied市場研究公司2014年6月發(fā)布的報(bào)告稱，全球氣凝膠的市場價(jià)值在2013年2.218億美元，估計(jì)到2020年可達(dá)18.966億美元，在預(yù)測期內(nèi)（從2014–2020）的年復(fù)合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新的應(yīng)用領(lǐng)域探索的持續(xù)進(jìn)步，市場預(yù)計(jì)，隨著時(shí)間的推移市場增長的動(dòng)力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖1  氣凝膠市場規(guī)模預(yù)測

　　據(jù)了解，美國Aspen公司2008~2013年的復(fù)合增長率為33.8%，Allied公司的報(bào)告可以認(rèn)為是主要基于美國Aspen公司業(yè)績情況的較為保守的預(yù)測報(bào)告，實(shí)際上隨著亞太市場的發(fā)展，特別是中國氣凝膠企業(yè)的崛起，氣凝膠行業(yè)未來的發(fā)展將顯著加快。

圖2  2010年全球絕熱市場規(guī)模

　　據(jù)Freedonia研究公司報(bào)告，在2010年，全球絕熱材料市場估計(jì)規(guī)模為321億美元，未來年增長率為 6.3%，到2019年可達(dá)556億美元。其中工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域約占總份額三分之一，建筑領(lǐng)域占總分額的三分子二。

　　氣凝膠材料目前占據(jù)了整個(gè)絕熱材料市場金字塔模型的塔尖部分，目前在整個(gè)絕熱材料市場中的規(guī)模幾乎是微不足道，這一方面說明氣凝膠產(chǎn)業(yè)仍然處于早期起步階段，同時(shí)又預(yù)示著其未來巨大的發(fā)展空間。

圖3  全球絕熱材料與氣凝膠市場規(guī)模預(yù)測對比

　　目前制約氣凝膠市場拓展的障礙是高昂的價(jià)格，一旦氣凝膠材料的生產(chǎn)成本得以顯著下降，市場規(guī)模就會(huì)急劇擴(kuò)大，產(chǎn)品銷量也會(huì)迅速擴(kuò)大，并將革命性地替代傳統(tǒng)絕熱材料。

　　那么氣凝膠爆發(fā)的拐點(diǎn)在何時(shí)？實(shí)際上隨著氣凝膠材料市場價(jià)格不斷下降，目前在工業(yè)絕熱領(lǐng)域，采用氣凝膠材料的工程總造價(jià)已經(jīng)接近采用傳統(tǒng)保溫材料，但卻具有節(jié)能、節(jié)省空間、防腐、長壽命等顯著優(yōu)點(diǎn)。公司依據(jù)多年產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)判斷，氣凝膠快速發(fā)展的拐點(diǎn)其實(shí)已經(jīng)悄然到來，一些技術(shù)領(lǐng)先的氣凝膠企業(yè)將獲得爆發(fā)式的發(fā)展！

　　圖4  2020年（左）和2025年（右）氣凝膠市場份額 億美元

　　隨著氣凝膠制造成本的顯著降低和產(chǎn)能迅速擴(kuò)張，公司預(yù)計(jì)5年以后的2020年，氣凝膠行業(yè)企業(yè)將迅速曾多，產(chǎn)能將迅速擴(kuò)大，氣凝膠行業(yè)整體上進(jìn)入爆發(fā)式的增長階段，預(yù)計(jì)年復(fù)合增長率高達(dá)55%以上，并在未來10年將迅速替代傳統(tǒng)絕熱材料，特別是在工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域，替換得速度會(huì)更快，未來5～10年，可能達(dá)到每年19～170億美元的規(guī)模。

　　1.2. 國內(nèi)氣凝膠市場情況

　　國內(nèi)市場起步較晚，前期主要是國外氣凝膠產(chǎn)品在銷售，價(jià)格較昂貴，市場推廣力度也較小，近年來隨著國內(nèi)氣凝膠企業(yè)逐步增多，實(shí)力不斷增強(qiáng)，成本不斷下降，規(guī)模不斷擴(kuò)大，再得益于國內(nèi)節(jié)能減排政策推行和經(jīng)濟(jì)體量的迅速擴(kuò)大，氣凝膠行業(yè)駛?cè)肓丝焖侔l(fā)展通道。

　　2014年國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)量大約在8500立方米，進(jìn)口產(chǎn)品大約1500立方米，市場規(guī)模大約為1.82億元。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，氣凝膠市場日益成熟。

圖5  國內(nèi)氣凝膠市場規(guī)模

　　中國作為新興經(jīng)濟(jì)體，在市場增長方面將會(huì)以快于國際平均水平的速度迅速增加，未來幾年年將進(jìn)入快速增長階段。2015年是國內(nèi)氣凝膠規(guī)模的突變之年，新增產(chǎn)能預(yù)計(jì)達(dá)到16000~20000立方米（已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的主要?dú)饽z企業(yè)都在大力擴(kuò)產(chǎn)），實(shí)際產(chǎn)量約19600立方米，進(jìn)口產(chǎn)品約1000立方米，預(yù)計(jì)市場規(guī)模3.30億，2020年將達(dá)到37.16億元，2015年到2020年的復(fù)合增長率約達(dá)61.1%。

圖6 2020年國內(nèi)氣凝膠市場應(yīng)用分布 萬元

　　目前國內(nèi)軍品領(lǐng)域需求主要集中在航天、兵器及艦艇等領(lǐng)域；民用領(lǐng)域的石油化工、軌道交通、電力工業(yè)、礦用井下救生艙和城鎮(zhèn)熱力管網(wǎng)已經(jīng)形成一定的市場規(guī)模并繼續(xù)快速增長，特種服裝和帳篷、LNG管線、建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用也開始少量試用后期市場巨大。

　　國家新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃指出，保溫材料產(chǎn)值將達(dá)1200億。預(yù)計(jì)進(jìn)入“十三五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)獲得快速發(fā)展。公司公司推斷，預(yù)計(jì)2015年到2020年氣凝膠材料將在工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域獲得大批量應(yīng)用，2020年開始全面替換傳統(tǒng)工業(yè)保溫材料，分享國內(nèi)每年約500多億的市場。預(yù)計(jì)2020年開始，氣凝膠材料在建筑領(lǐng)域?qū)㈤_始大規(guī)模的應(yīng)用，2025年將全面替代傳統(tǒng)建筑保溫材料，分享國內(nèi)每年1000多億的市場。

　　二、可供選擇的技術(shù)路線

　　為方便后面討論，及方便部分對氣凝膠感興趣，但對制備工藝不太了解的朋友閱讀，這里簡要介紹氣凝膠的制備工藝。簡單來說，氣凝膠制備包含以下過程：

圖7  氣凝膠制備的典型工藝過程

　　氣凝膠性能主要由其納米孔洞結(jié)構(gòu)決定，一般通過溶膠-凝膠工藝獲得所需納米孔洞和相應(yīng)凝膠骨架，由于凝膠骨架內(nèi)部的溶劑存在表面張力，在普通的干燥條件下會(huì)造成骨架的坍縮，氣凝膠制備技術(shù)核心在于避免干燥過程中由于毛細(xì)管力導(dǎo)致納米孔洞結(jié)構(gòu)塌陷。

對應(yīng)地，為消除應(yīng)力，一般可以從以下幾個(gè)方面采取措施：

　　根據(jù)干燥工藝的不同，主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝兩種，其他尚未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)技術(shù)還有真空冷凍干燥、亞臨界干燥等。

　　超臨界干燥技術(shù)是最早實(shí)現(xiàn)批量制備氣凝膠技術(shù)，已經(jīng)較為成熟，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)。超臨界干燥旨在通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達(dá)到其本身的臨界點(diǎn)，形成一種超臨界流體，處于超臨界狀態(tài)的溶劑無明顯表面張力，從而可以實(shí)現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)技術(shù)一般采用二氧化碳作為干燥介質(zhì)，簡稱二氧化碳超臨界干燥技術(shù)。

　　常壓干燥一種新型的氣凝膠制備工藝，是當(dāng)前研究最活躍，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臍饽z批產(chǎn)技術(shù)。其原理是采用疏水基團(tuán)對凝膠骨架進(jìn)行改性，避免凝膠孔洞表面的硅羥基相互結(jié)合并提高彈性，同時(shí)采用低表面張力液體置換凝膠原來高比表面積的水或乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。

　　下面對兩種技術(shù)路線做簡要的分析對比：

　　設(shè)備投入：超臨界干燥技術(shù)使用核心設(shè)備為高壓釜，一般工作壓力高達(dá)7～20MPa，屬于特種設(shè)備中的壓力容器，設(shè)備系統(tǒng)較為復(fù)雜，運(yùn)行和維護(hù)成本也較高，目前國內(nèi)已有能提供成套制備超臨界設(shè)備的廠家，但數(shù)量不多，業(yè)主的議價(jià)能力較弱。常壓干燥技術(shù)采用常規(guī)的常壓設(shè)備，相對超臨界干燥由于不需要高壓條件，設(shè)備投入低，設(shè)備系統(tǒng)也較為簡單，因?yàn)榇蟛糠只ぴO(shè)備單位都能加工制造，業(yè)主議價(jià)能力較強(qiáng)。

　　生產(chǎn)成本：氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在硅源、設(shè)備折舊和能耗三塊。硅源主要包括水玻璃和有機(jī)硅。有機(jī)硅價(jià)格較為昂貴，但是純度高，工藝適應(yīng)性好，既可以應(yīng)用于超臨界干燥工藝，也可以適用于常壓干燥工藝，目前國內(nèi)外采用超臨界干燥工藝的企業(yè)基本上都是采用有機(jī)硅源。水玻璃價(jià)格低廉，但是雜質(zhì)較多，去除雜質(zhì)的工藝較為繁瑣，目前主要應(yīng)用于常壓干燥技術(shù)中。設(shè)備折舊方面，因超臨界干燥技術(shù)設(shè)備投資較高，折舊要要高于常壓技術(shù)。能耗方面，超臨界干燥系統(tǒng)耗電要高于常壓干燥系統(tǒng)，蒸汽消耗方面兩者差別不大。因此，一般而言采用常壓干燥技術(shù)的生產(chǎn)成本要低于超臨界干燥。

　　產(chǎn)品性能：就二氧化硅氣凝膠而言，目前超臨界干燥技術(shù)和常壓干燥技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品沒有任何顯著或?qū)嵸|(zhì)意義的區(qū)別，基本上超臨界技術(shù)能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，常壓干燥工藝都能達(dá)到。在非二氧化硅氣凝膠制備方面，超臨界干燥工藝要成熟很多，不過還沒有量產(chǎn)的報(bào)道。

　　技術(shù)門檻：相對而言，超臨界干燥技術(shù)的生產(chǎn)效率、安全性，乃至工藝變更都對設(shè)備系統(tǒng)有較高依賴度，如果設(shè)備廠家提供設(shè)備系統(tǒng)較為成熟可靠，業(yè)主進(jìn)入技術(shù)門檻相對較低，這也是許多氣凝膠行業(yè)新進(jìn)入者選擇超臨界工藝原因之一，但也因此受到較多制約。常壓干燥技術(shù)設(shè)備的投資門檻較低，但是技術(shù)門檻卻較高，對配方的設(shè)計(jì)和流程組合優(yōu)化有較高要求，如果技術(shù)不過關(guān)，不僅生產(chǎn)成本可能高于超臨界，甚至于性能指標(biāo)也不能達(dá)到要求。

　　拓展空間：超臨界干燥作為高壓特種設(shè)備，如果要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，固定資產(chǎn)投入是巨大的，氣凝膠未來如果要迎接建筑保溫的巨大市場，比如達(dá)到年產(chǎn)50萬立方米（這僅是目前中小規(guī)模建材企業(yè)的規(guī)模），采用超臨界干燥技術(shù)的設(shè)備投入將高達(dá)數(shù)十億，十分不利于氣凝膠企業(yè)的做大做強(qiáng)。而常壓干燥技術(shù)，隨著規(guī)模擴(kuò)大，投入產(chǎn)出比會(huì)進(jìn)一步提高，可以較少投資獲得較大生產(chǎn)規(guī)模，因而更能適應(yīng)未來大生產(chǎn)的需要。此外，受限于硅源，超臨界的原料成本降低空間有限，只能通過優(yōu)化系統(tǒng)提高生產(chǎn)效率，而常壓干燥對廉價(jià)硅源有較強(qiáng)接納能力，流程優(yōu)化方面也有較多自由度，因而擁有更大的成本下降空間。

　　通過以上分析，筆者認(rèn)為，超臨界干燥技術(shù)和常壓干燥技術(shù)各有優(yōu)勢，都有存在的合理性。但就像過去顯示器領(lǐng)域等離子技術(shù)和液晶技術(shù)的競爭一樣，二者曾難分伯仲，到現(xiàn)在液晶技術(shù)已完全勝出，隨著時(shí)間推移，筆者相信，就二氧化硅氣凝膠的制備生產(chǎn)，常壓干燥技術(shù)將獲得壓倒性的勝利。

　　三、氣凝膠主要產(chǎn)品形態(tài)，兼談納米微孔絕熱材料

　　3.1氣凝膠超級絕熱原理

　　如前所述，我們討論的焦點(diǎn)是二氧化硅氣凝膠及其作為超級絕熱材料的應(yīng)用。氣凝膠何以成為超級絕熱材料？我們先來看看氣凝膠的超級絕熱原理。

圖 8 熱量傳遞的三種基本方式

　　熱量有三種基本傳遞方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。對于保溫材料而言，熱傳導(dǎo)主要由保溫材料中的固體部分來完成；熱對流則主要由保溫材料中的氣體來完成；熱輻射的傳遞不需要任何介質(zhì)。

　　1992年，美國召開的國際材料工程大會(huì)上提出了超級絕熱材料的概念，指在預(yù)定的使用條件下，其導(dǎo)熱系數(shù)低于"無對流空氣"導(dǎo)熱系數(shù)的絕熱材料。具有納米孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠就是典型超級絕熱材料。

圖 9 氣凝膠與傳統(tǒng)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)對比

　　氣凝膠的超級絕熱性能基于以下原理：

　　“無窮長路徑”效應(yīng)：由于近于無窮多納米孔的存在，熱流在固體中傳遞時(shí)就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮長路徑”效應(yīng)，使得固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。

　　“零對流”效應(yīng)：當(dāng)氣凝膠材料中的氣孔直徑小于70nm時(shí)，氣孔內(nèi)的空氣分子就失去了自由流動(dòng)的能力，相對地附著在氣孔壁上，這時(shí)材料處于近似真空狀態(tài)，即產(chǎn)生“零對流”效應(yīng)。

　　“無窮多遮熱板”的效應(yīng)：由于材料內(nèi)的氣孔均為納米級氣孔再加材料本身極低的體積密度，使材料內(nèi)部氣孔壁數(shù)日趨于“無窮多”，對于每一個(gè)氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產(chǎn)生近于“無窮多遮熱板”的效應(yīng)，從而使輻射傳熱下降到近乎最低極限。不過在400℃以上高溫下使用時(shí)，仍然需要加入遮光劑來增強(qiáng)氣凝膠對高溫紅外線的輻射的抵抗。

　　3.2 氣凝膠主要產(chǎn)品及應(yīng)用

　　當(dāng)前氣凝膠的產(chǎn)品形態(tài)主要保溫氣凝膠氈、板、布、紙、顆粒、粉末和異形件等。氣凝膠氈、板、布、紙和異形件，都是氣凝膠與相應(yīng)產(chǎn)品形態(tài)的纖維復(fù)合所得產(chǎn)品，基本的技術(shù)工藝是類似的，但是產(chǎn)品應(yīng)用有較大的區(qū)別。

圖10  氣凝膠主要的產(chǎn)品形態(tài)

　　氣凝膠氈是當(dāng)前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的氣凝膠產(chǎn)品，美國的某氣凝膠企業(yè)更是挑明了只生產(chǎn)氣凝膠氈。筆者之前在市場分析部分提到的航天軍工、石油化工、冶金建材、冰箱冷庫等所有應(yīng)用領(lǐng)域都可以采用氣凝膠氈。

　　氣凝膠布、紙和異形件主要用于一些特殊需要領(lǐng)域。如氣凝膠布主要是服裝鞋帽領(lǐng)域，氣凝膠紙（薄氈）主要是熱電池和一些空間極小或管徑極細(xì)或希望纏繞施工的領(lǐng)域，氣凝膠異形件基本上都是軍工應(yīng)用和制作可拆卸保溫套。

　　氣凝膠板，其實(shí)氈與板一個(gè)主要區(qū)別僅僅是硬度的不同，氈有柔韌性可卷曲，板有一定的剛度，不易彎曲。板的主要應(yīng)用是大型設(shè)備保溫以及未來的建筑節(jié)能內(nèi)外墻的保溫。對板而言，當(dāng)前一個(gè)挑戰(zhàn)就是厚度，客戶往往希望可以達(dá)到5～10cm的厚度，而目前氣凝膠產(chǎn)品最大厚度僅為1cm。

　　以上產(chǎn)品共同面臨的一個(gè)問題就是產(chǎn)品表面粉塵，也是氣凝膠產(chǎn)品除了高成本外的又一痛點(diǎn)，國外某公司產(chǎn)品對該問題已經(jīng)有顯著改善，國內(nèi)目前還沒有無塵產(chǎn)品上市，但應(yīng)該很快也會(huì)攻克。

　　氣凝膠顆粒，目前主要應(yīng)用是利用氣凝膠透明性，填充在PC板或者中空玻璃總做采光隔熱板，雖有一定市場應(yīng)用但是規(guī)模較小。

　　氣凝膠粉末，相對而言，氣凝膠粉末是最初級也是生產(chǎn)最容易成本最低產(chǎn)品（我們之前了解納米材料大部分都是粉體，就是因?yàn)榧{米粉體制備工藝相對簡單），氣凝膠產(chǎn)業(yè)化歷史應(yīng)該也是從粉體開始的，不過遺憾的是迄今為止，尚沒有為氣凝膠粉體找到有實(shí)質(zhì)意義的批量應(yīng)用。國外某新創(chuàng)企業(yè)將氣凝膠粉體定位為主要產(chǎn)品，目標(biāo)市場是氣凝膠涂料，并積極布局中國市場。聽起來很美，還是看看后文對氣凝膠涂料的分析再說。

　　除了以上產(chǎn)品，還經(jīng)常有朋友咨詢氣凝膠真空板（VIP）和氣凝膠涂料。首先，需要說明氣凝膠真空板性能確實(shí)是非常優(yōu)異的，最低可達(dá)0.002w/m.k，不過筆者對真空板卻無太多興趣。實(shí)際上普通玻璃纖維做芯材的真空板也能達(dá)到導(dǎo)熱系數(shù)0.004w/m.k，用氣凝膠做芯材要么大材小用，要么只是噱頭。最為本質(zhì)的問題是真空板漏氣不可避免，只是時(shí)間問題，如果用于壽命10年的家電行業(yè)，勉強(qiáng)說得過去，如果用在使用壽命70年建筑領(lǐng)域，對于鋁塑真空封裝的真空板要做到與建筑同壽命，不論是理論上還是工程數(shù)據(jù)尚不能令人信服。退一萬步說，即便能不漏氣，不透氣的真空板怎么避免濕氣結(jié)露，不能釘不能鉚的真空板怎么確保不會(huì)出現(xiàn)保溫層大面積脫落？這些都是實(shí)實(shí)在在的硬傷。

　　再說說氣凝膠涂料。傳統(tǒng)保溫材料里涂料是非常重要的一類產(chǎn)品，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用，自從氣凝膠誕生以來，對氣凝膠涂料的呼喚就沒停過，近年來這種呼喚似乎更甚。前不久有國外的某知名公司推出了氣凝膠砂漿和涂料，還獲得了一個(gè)大獎(jiǎng)。初聞消息，真是喜不自勝，多年難題總算攻克了。后來查看具體產(chǎn)品性能指標(biāo)參數(shù)，興奮勁瞬間消散，0.035w/m.k的導(dǎo)熱系數(shù)，真心對不起氣凝膠。國內(nèi)有公司也開發(fā)氣凝膠涂料，指標(biāo)基本上也是在0.035~0.060w/m.k之間。氣凝膠涂料這樣的指標(biāo)與傳統(tǒng)保溫涂料在性價(jià)比上毫無競爭力可言。

　　為什么氣凝膠涂料開發(fā)有那么難呢？一切還都是因?yàn)闅饽z的納米孔結(jié)構(gòu)，真是成也蕭何敗蕭何。氣凝膠因納米孔結(jié)構(gòu)而擁有眾多神奇性能，一時(shí)風(fēng)光無限，也因納米孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在涂料應(yīng)用開發(fā)方面舉步維艱。氣凝膠是納米開孔結(jié)構(gòu)，配制氣凝膠涂料不可避免會(huì)導(dǎo)致氣凝膠與液態(tài)介質(zhì)混合，不論是水性試劑還是油性試劑，都很難避免氣凝膠孔洞內(nèi)液體浸人后產(chǎn)生如前所述的毛細(xì)管力，從而使納米多孔結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而嚴(yán)重?fù)p害，乃至完全喪失絕熱性能。氣凝膠涂料第二大難以跨越的門檻是氣凝膠作為比空氣導(dǎo)熱系數(shù)還要低超級絕熱材料，當(dāng)呈粉狀分散在涂料中，即氣凝膠成為分散相，也就是一個(gè)個(gè)孤島，熱量會(huì)繞過這些孤島繼續(xù)傳遞，故而難以制備出與氣凝膠本身優(yōu)異絕熱性能相匹配的涂料來。

　　難道氣凝膠涂料及就真的無解了嗎？記得中學(xué)物理老師說過，只要有邊界條件，一切問題均有解！就憑著這句話，筆者鍥而不舍的努力試驗(yàn)，居然就得到了幸運(yùn)之神垂青，目前筆者開發(fā)的氣凝膠涂料指標(biāo)為0.025w/m.k。所以朋友們，加油吧，氣凝膠涂料還是可以繼續(xù)努力做的。

　　3.3 氣凝膠復(fù)合材料工藝及納米微孔絕熱材料

　　一般來說氣凝膠因?yàn)楹艽?，基本上無法當(dāng)獨(dú)應(yīng)用，市場上銷售的氣凝膠多為氣凝膠與增強(qiáng)纖維的復(fù)合產(chǎn)品。復(fù)合的方式也大體上分為兩種，一種叫原位復(fù)合或一次復(fù)合，另一種叫兩次復(fù)合。

　　所謂一次復(fù)合就在氣凝膠制備過程的溶膠-凝膠階段，硅溶膠直接浸潤增強(qiáng)纖維，共同經(jīng)歷凝膠老化、改性、干燥，直到產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束。這種方法獲得的氣凝膠復(fù)合材料，相對而言，氣凝膠是連續(xù)相，纖維是分散相，所得氣凝膠產(chǎn)品往往可以獲得較低的導(dǎo)熱系數(shù)，并且產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較好，也是目前國內(nèi)外氣凝膠企業(yè)的主流復(fù)合方式。

　　所謂二次復(fù)合，就是先制備出氣凝膠粉末，然后在設(shè)法把氣凝膠粉末與纖維復(fù)合在一起。這種方法獲得產(chǎn)品氣凝膠和纖維都不是連續(xù)相，氣凝膠均勻分散難度較大，目前采用此法的氣凝膠企業(yè)較少。（國內(nèi)某項(xiàng)目引進(jìn)某國技術(shù)，介紹資料里說中國目前基本上都是二次復(fù)合，他們的優(yōu)勢是一次復(fù)合，真是很有幽默感。）

　　但并不是說二次復(fù)合法就毫無是處，接下來要談到的納米微孔產(chǎn)品就借鑒了此法，從產(chǎn)品性能來講，應(yīng)該說是非常成功的。

　　在納米孔絕熱材料家族，除了氣凝膠外，還有另一個(gè)分支就是納米微孔絕熱材料，其在高溫下優(yōu)異隔熱性能甚至優(yōu)于當(dāng)前的氣凝膠材料。

　　納米微孔絕熱材料與氣凝膠材料主要區(qū)別是：在工藝上，氣凝膠采用的溶膠-凝膠技術(shù)獲得整體連續(xù)的納米孔結(jié)構(gòu)，形象說來就像是一個(gè)孔洞尺寸極小的蜂窩，納米微孔絕熱材料制備過程一般是通過分散混合工藝把不同組分的納米顆粒與增強(qiáng)纖維均勻分散，加入一定量粘結(jié)劑，再經(jīng)壓制成型，通過納米顆粒堆積形成納米孔洞結(jié)構(gòu)；在產(chǎn)品形態(tài)上，氣凝膠當(dāng)前以氈和板為主，納米微孔為板和異形件為主；在應(yīng)用溫度上，氣凝膠一般應(yīng)用于650℃以下，納米微孔絕熱材料一般應(yīng)用在700℃以上，1200℃以下的范圍。兩者在使用溫度和產(chǎn)品形態(tài)上有互補(bǔ)性。

圖11  國外某公司納米微孔絕熱材料與氣凝膠高溫導(dǎo)熱系數(shù)對比

　　從工藝角度進(jìn)一步展開，納米微孔絕熱材料相對于當(dāng)前氣凝膠主要做了三個(gè)方面的優(yōu)化：一是其組分中含有較高比例的紅外遮光劑，進(jìn)一步制約了高溫輻射對傳熱影響；二是組分纖維含量大大減少，減少了高溫下增強(qiáng)纖維對的熱傳導(dǎo)；三是產(chǎn)品密度一般為350-500kg/m3（氣凝膠一般為200kg/m3左右），平均納米孔徑較小，對高溫下的空氣對流進(jìn)一步限制。

　　納米微孔絕熱材料其實(shí)是一種類氣凝膠產(chǎn)品，或者說是氣凝膠的一種特殊存在方式（類似二次復(fù)合法的氣凝膠），兩者的絕熱機(jī)理幾乎是一樣的，相信現(xiàn)有氣凝膠復(fù)合工藝的經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)也能在高溫下達(dá)到和納米微孔材料一樣優(yōu)異的性能。

　　最后提醒國內(nèi)同仁，氣凝膠的產(chǎn)品形態(tài)種類較多，建議企業(yè)根據(jù)自身企業(yè)定位和技術(shù)儲(chǔ)備等情況，選擇適合自身的產(chǎn)品形態(tài)。如與國外企業(yè)合作，在技術(shù)上還應(yīng)仔細(xì)甄別，盡量多方咨詢和論證，在氣凝膠領(lǐng)域，國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)或許更值得信賴。

　　四、迎接產(chǎn)業(yè)窗口期及企業(yè)發(fā)展的三步走

　　4.1迎接產(chǎn)業(yè)窗口期

　　氣凝膠發(fā)明至今已經(jīng)70多年，產(chǎn)業(yè)化的道路也走了70多年，最當(dāng)銘記的當(dāng)然是2001年與美國宇航局有密切關(guān)系的ASPEN公司的成立，這是真正商業(yè)意義的氣凝膠產(chǎn)業(yè)化的開始。

　　國內(nèi)氣凝膠研究起步于上世紀(jì)90是年代，首家商業(yè)化公司成立于2004年并持續(xù)經(jīng)營至今。2008年初新華網(wǎng)報(bào)道了馬來西亞的女科學(xué)家試驗(yàn)室制備了稻殼為原料氣凝膠的消息，國內(nèi)其他媒體也紛紛轉(zhuǎn)載。其實(shí)，筆者當(dāng)時(shí)所在公司在早在2006年就實(shí)現(xiàn)了稻殼為原料氣凝膠的中試生產(chǎn)。重溫舊事只是想再次告訴大家，中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)起步幾乎與世界同步，10多年來學(xué)術(shù)界和企業(yè)界辛勤耕耘下，中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備躋身世界一流的可能性。

　　實(shí)際上，如果從產(chǎn)業(yè)生命周期角度，氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，仍然處在較早發(fā)展階段，整體上處于初創(chuàng)期的后期和成長期的前期。

圖12  氣凝膠產(chǎn)業(yè)生命周期

　　這一階段，氣凝膠行業(yè)進(jìn)入企業(yè)不斷增多，產(chǎn)品應(yīng)用不斷擴(kuò)寬，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)研發(fā)速度加快，產(chǎn)品價(jià)格顯著降低，行業(yè)領(lǐng)先的公司進(jìn)入快速增長階段，但是尚沒有一家企業(yè)形成穩(wěn)固的龍頭地位，掌握低成本核心技術(shù)和一定市場資源的企業(yè)將獲得巨大發(fā)展空間，整個(gè)行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的窗口期，也是行業(yè)投資的最佳時(shí)機(jī)。

　　即便從2001年算起，氣凝膠行業(yè)的初創(chuàng)期已走過了15年，近年的發(fā)展呈現(xiàn)出提速趨勢。如前所述，2015年國內(nèi)氣凝膠行業(yè)產(chǎn)量迅速增加，國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭火熱，可以預(yù)見的是，未來三年國內(nèi)氣凝膠行業(yè)新進(jìn)入企業(yè)會(huì)繼續(xù)高速增長，產(chǎn)量當(dāng)然也會(huì)不斷創(chuàng)新高，與之對應(yīng)的氣凝膠項(xiàng)目圈地運(yùn)動(dòng)也會(huì)此起彼伏，科研院所成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)人員下海創(chuàng)業(yè)、項(xiàng)目融資對接、產(chǎn)學(xué)研合作、各類創(chuàng)業(yè)大賽等一幕幕大劇將陸續(xù)登場。

　　4.2企業(yè)發(fā)展三步走

　　在了解了氣凝膠產(chǎn)業(yè)所處階段和難得的歷史機(jī)遇后，我們還需要思考，如何做大做強(qiáng)中國的氣凝膠產(chǎn)業(yè)。在此，筆者斗膽提出三步走的戰(zhàn)略：

　　第一步：活下去。這一步聽起來稀松平常，卻是最難的，尤其當(dāng)氣凝膠是以傳統(tǒng)隔熱材料的革命性升級替代產(chǎn)品出現(xiàn)的時(shí)候（實(shí)際上相當(dāng)比重的傳統(tǒng)隔熱材料經(jīng)過技術(shù)升級是可以成為氣凝膠企業(yè)的，不過這仍然不能避免氣凝膠受到傳統(tǒng)材料的整體阻擊）。你都要革人家命了，人家能坐以待斃嗎？你數(shù)家，數(shù)十家氣凝膠企業(yè)對抗人家數(shù)千家傳統(tǒng)隔熱材料企業(yè)，有的甚至的大型跨國企業(yè)，人家行業(yè)資源比你豐富，行業(yè)組織比你成熟，話語權(quán)比你大，客戶關(guān)系比你好，工程經(jīng)驗(yàn)比你多，你得一點(diǎn)點(diǎn)去虎口奪食，一點(diǎn)點(diǎn)去用你的品質(zhì)去真誠地感動(dòng)客戶。目前國內(nèi)氣凝膠企業(yè)基本上還都是小企業(yè)，資金匱乏、人力有限，還有政商關(guān)系，管理水平提升等一系列問題，氣凝膠創(chuàng)業(yè)企業(yè)要活下去絕非易事。連華為這樣牛氣沖天的企業(yè)，任正非還天天喊冬天，首要考慮的是活下去。不論我們理想有多宏達(dá)，落地生根首要前提就是活下去。

　　怎么才能活下去呢？你當(dāng)然可以學(xué)習(xí)時(shí)髦的互聯(lián)網(wǎng)搞商業(yè)模式創(chuàng)新，但立足于新材料產(chǎn)業(yè)的實(shí)際，產(chǎn)品的品質(zhì)、成本及服務(wù)可能才是我們應(yīng)該踏踏實(shí)實(shí)一絲不茍去做好的，唯有充分發(fā)揮氣凝膠產(chǎn)品特性，為客戶創(chuàng)造盡可能大的價(jià)值，我們才能贏得客戶，壯大自身。市場、技術(shù)、品質(zhì)、成本、服務(wù)，這10字訣是我們活下去的糧食之源，也應(yīng)該是中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)界10年內(nèi)的首要任務(wù)。

　　氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，從高大上航天軍工到高鐵動(dòng)車、核電太陽能、石油化工、冶金建材、熱力管網(wǎng)等工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能，再到最接地氣的建筑節(jié)能，在未來5年里，工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能降耗應(yīng)該是氣凝膠行業(yè)革命的主戰(zhàn)場。

　　第二步：走出去。世界那么大，我想去看看。這句當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流行語也適用于氣凝膠行業(yè)。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，當(dāng)氣凝膠行業(yè)在國內(nèi)站穩(wěn)腳跟后，走出去就是一個(gè)必然的選擇。不過，我更建議在走出去前，在國內(nèi)先做好充分準(zhǔn)備，特別是知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)先布局。這當(dāng)然不是說國內(nèi)氣凝膠企業(yè)現(xiàn)在不要做國外市場，只是說中國當(dāng)前市場足夠大，足以培育出數(shù)家未來可能沖擊世界一流的氣凝膠企業(yè)，也是一個(gè)練兵的絕佳場地，如果因?yàn)槟承┦袌銮?，有機(jī)會(huì)做一些海外的訂單，國內(nèi)市場依然需要高度重視。中國過去企業(yè)發(fā)展史表明，那些在國內(nèi)競爭脫穎而出的優(yōu)秀企業(yè)，在殺向海外時(shí)候也往往表現(xiàn)不錯(cuò)，聯(lián)想、海爾、華為都是如此。當(dāng)然也可以先做海外市場再做國內(nèi)市場，前提是你的海外市場渠道夠硬夠廣，而且你在海外擁有足夠份量專利為你產(chǎn)品護(hù)航（貼牌加工企業(yè)不在本文討論之列）。

　　第三步：平臺(tái)化。這里所說的平臺(tái)化意思是，國內(nèi)氣凝膠行業(yè)里的領(lǐng)先企業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)成為大型產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，企業(yè)自身呈平臺(tái)化發(fā)展的特點(diǎn)，也可稱為依托于近似核心技術(shù)平臺(tái)的有限多元化，類似目前杜邦、3M和巴斯夫等企業(yè)。盡管企業(yè)主業(yè)可能還是二氧化硅氣凝膠，主要通途可能還是超級絕熱材料，但是其他氧化鋁氣凝膠、氧化鈦氣凝膠、碳?xì)饽z等也獲得了產(chǎn)業(yè)化，氣凝膠的批量應(yīng)用領(lǐng)域也得到很大擴(kuò)展，吸附催化、吸音隔音、絕緣、防爆、激光靶材、儲(chǔ)能、海水淡化、分形研究、藥物緩釋、高強(qiáng)體育器材乃至一些我們現(xiàn)在還未可知的應(yīng)用等等，人們提到氣凝膠的時(shí)候，更多的注意到其納米孔結(jié)構(gòu)，不再簡單視為是一種保溫材料，甚至如國內(nèi)學(xué)者提出的，氣凝膠成為類似于固體、液體、氣體、等離子體的第五種物質(zhì)形態(tài)。

　　同樣需要說明的是，氣凝膠材料用途眾多，如果國內(nèi)氣凝膠企業(yè)根據(jù)自身情況，現(xiàn)在就進(jìn)入非二氧化硅氣凝膠產(chǎn)業(yè)化，或氣凝膠非超級隔熱用途的應(yīng)用開發(fā)，筆者認(rèn)為都是可行的。一句話，適合自己的鞋才舒服，適合自己路才是最好的。

　　以上，包括序言在內(nèi)一共5篇文章，僅僅是筆者對當(dāng)前中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)的思考，國內(nèi)氣凝膠行業(yè)資源如何整合，如何制定和實(shí)施持續(xù)創(chuàng)新的知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，是否成立產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟等重大議題均未涉及，歡迎氣凝膠業(yè)內(nèi)同仁、學(xué)術(shù)界、政府人員、投資界等各領(lǐng)域相關(guān)人員對氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。本組文章疏漏和不足之處在所難免，聊供補(bǔ)壁。

　　作者：  金承黎 2017-09-29

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