最新版中国气凝胶行业分析报告.docx

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最新版中国气凝胶行业分析报告

2017年气凝胶行业分析报告

2017年6月出版

1、什么是气凝胶？

4

2、气凝胶的分类6

3、气凝胶的制备7

3.1、气凝胶的制备过程7

3.2、气凝胶的制备技术8

3.2.1、溶胶-凝胶技术8

3.2.2、干燥技术11

3.3、气凝胶改性11

4、气凝胶的产品形式及应用12

4.1、气凝胶的产品形式12

4.2、气凝胶的应用领域13

4.2.1、超级绝热材料13

4.2.2、储氢材料14

4.2.3、环保领域14

4.2.4、电化学及电子领域14

4.2.5、催化剂及催化剂载体15

4.2.6、声阻耦合材料及高效隔音材料15

4.3、气凝胶的应用现状15

5、气凝胶的应用市场15

5.1、气凝胶全球市场分析15

5.2、气凝胶国内市场分析17

6、全球主要气凝胶生产厂商19

6.1、国外主要气凝胶企业19

6.1.1、美国AspenAerogels19

6.1.2、美国CABOT20

6.2、国内主要气凝胶企业20

6.2.1、广东埃力生高新科技有限公司20

6.2.2、纳诺科技有限公司21

图表1：

气凝胶4

图表2：

按成分分类的气凝胶6

图表3：

气凝胶的制备过程8

图表4：

无机气凝胶溶胶-凝胶技术9

图表5：

RF气凝胶的制备过程9

图表6：

CRF气凝胶制备10

图表7：

SiO2气凝胶的产品形式12

图表8：

与传统保温材料导热系数对比13

图表9：

气凝胶全球市场规模16

图表10：

全球绝热材料和气凝胶市场规模对比16

图表11：

2014年和2015年国内气凝胶产量情况17

图表12：

国内气凝胶市场规模预测17

图表13：

2019年国内气凝胶应用占比预测18

表格1：

气凝胶的特性及应用4

表格2：

常见气凝胶的基本性能6

表格3：

Aspen产品信息19

表格4：

CABOT气凝胶产品分类20

表格5：

埃力生产品信息20

表格6：

纳诺科技产品信息21

表格7：

纳诺科技气凝胶发展历程22

1、什么是气凝胶？

气凝胶（aerogel）是一种内部网络结构充满气体，外表呈现固体状密度极低的多孔材料，1931年由美国Kistler.S.发明，因轻若薄雾蓝色泛蓝，又被称为“蓝烟”、“冻结的烟”，是目前最轻的固体材料。

它的网络结构一般是由相互交联的纳米颗粒所组成，其中颗粒内部的孔隙主要是微孔，颗粒与颗粒之间则大多是2nm上的中孔或大孔。

气凝胶具有低密度（~0.16mg/cm3）、高比表面积（400-1000m2g-1）、高孔隙率（90%-99.8%）、低热导率（~0.012Wm-1k-1）、结构可控等诸多优异性能，被称为改变世界的神奇材料，列入20世纪90年代以来10大热门科学技术之一，具有巨大的军民两用应用价值。

表格1：

气凝胶的特性及应用

图表1：

气凝胶

2、气凝胶的分类

气凝胶通常有四种分类方式：

从外观特点可以被划分为块状、粉状以及薄膜状气凝胶；从制备方法可被划分为

气凝胶、干凝胶和冻凝胶；从不同的微结构可以被划分为微孔，介孔以及混合孔洞气凝胶。

从成分构成分类是气凝胶最普遍的区分方式，分为单一组分和复合组分两大类。

单一组分气凝胶包括氧化物气凝胶（二氧化硅和非二氧化硅），有机气凝胶（树脂基和纤维基），碳气凝胶（碳化塑料、碳纳米管和石墨烯），硫化物气凝胶和其他种类的气凝胶（单一元素、碳化物）；复合组分气凝胶包括多组分气凝胶、梯度气凝胶以及微/纳气凝胶复合物。

其中硅气凝胶、碳气凝胶和二氧化硅气凝胶最常见。

图表2：

按成分分类的气凝胶

表格2：

常见气凝胶的基本性能

3、气凝胶的制备

3.1、气凝胶的制备过程

气凝胶的制备过程主要包括三个重要步骤，由于气凝胶的应用性设计是基于它的

性能，而性能由其结构来决定，因此在制备过程中微结构的调控是十分重要的。

（1）溶液到溶胶过程：

纳米尺度的胶体粒子通过缩聚和水解反应在均匀的前驱物

溶液中形成，或是通过催化剂来催化加速。

（2）溶胶到凝胶的过程（凝胶）：

溶胶粒子之间手拉手连接，分层装配进一个具

有连续网状结构的湿凝胶。

（3）凝胶到气凝胶的过程（干燥）：

这个过程中湿凝胶中的溶剂被空气所替代，

同时不会有严重的微结构破坏。

图表3：

气凝胶的制备过程

3.2、气凝胶的制备技术

气凝胶的制备技术主要包括溶胶-凝胶技术和干燥技术，前者主要是获得具有一定空间网络结构的含有少量催化剂的醇凝胶，后者则是去掉醇凝胶网络骨架中的溶剂得

到最终的气凝胶材料。

3.2.1、溶胶-凝胶技术

a、无机气凝胶的溶胶-凝胶技术：

目前研究最多的无机气凝胶是硅气凝胶。

在溶胶-凝胶过程中通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的SiO2凝胶，反应生成以≡Si-O-Si≡为主体的聚合物，再经过老化阶段后，形成网络结构的凝胶。

在凝胶形成的过程中，部分水解的有机硅发生缩聚反应，缩聚的硅氧链上未水解的基团可继续水解。

通过调节反应溶液的酸碱度，控制水解-缩聚过程中水解反应和缩聚反应的相对速率，可得到凝胶结构。

在酸性条件下（pH=2.0-5.0），水解速率较快，体系中存在大量硅酸单体，有利于成核反应形成较多的核，但尺寸都较小，最终将形成弱交联度、低密度网络的凝胶；在碱性条件下，缩聚反应速率较快，硅酸单体一经生成即迅速缩聚，因而体系中单体浓度相对较低，不利于成核反应，但利于核的长大及交联，易形成致密的胶体颗粒，最终得到颗粒聚集而成的胶粒状凝胶。

强碱性或高温条件下Si-O键形成的可逆性增加，即SiO2的溶解度增大，使最终凝胶结构受热力学控制，在表面张力作用下形成由表面光滑的微球构成的胶粒聚集体。

许多研究尤其是氧化铝、氧化钛气凝胶的制备都采用类似的方法。

图表4：

无机气凝胶溶胶-凝胶技术

b、有机气凝胶的溶胶-凝胶技术：

有机气凝胶包括树脂基气凝胶和纤维素基气凝

胶。

首批树脂气凝胶是通过碳酸钠催化水中的间苯二酚和甲醛的聚合产生的（即RF气凝胶），是目前研究最多的有机气凝胶。

下面仅以RF气凝胶为例介绍有机气凝胶的生成机理：

第一步是加成反应，间苯二酚和甲醛在碱催化条件下形成单/多元羟甲基间苯二酚；第二步是缩聚反应，发生在中间体单/多元羟甲基间苯二酚的羟甲基（-CH2OH）和苯环上未被取代的位置之间，以及2个羟甲基之间，分别形成以亚甲基键（-CH2-）和亚甲基醚键（-CH2OCH2-）连接的基元胶体颗粒，在这些基元胶体颗粒中，小颗粒的溶解能力比大颗粒强，其易于溶解而使大颗粒继续生长成RF团簇，RF团簇进一步缩聚最终形成网络状聚合物，即RF有机气凝胶。

图表5：

RF气凝胶的制备过程

c、碳气凝胶的溶胶-凝胶技术：

第一批碳气凝胶诞生于1989年，是通过RF气凝胶的碳化而制得（即CRF气凝胶）。

制备碳化气凝胶的基本思路是将高含碳率的样品在高温（通常800-1200oC）、常压以及惰性气体的环境下热解。

1996年Hanzawa等人研制出了一种制备极高比表面积的CRF气凝胶的方法，该种方法通过使用二氧化碳活化碳骨架产生更多的孔（主要是微孔），得到更多的有利于催化作用、吸附作用、去离子作用和电化学作用应用的活化界面。

直到2011年CRF气凝胶的制备才有了本质的革新，Pauzauskie等人通过使用激光加热金刚石对顶砧制造出高温高压环境，在这样的环境下将不规则的CRF气凝胶结晶成金刚石气凝胶。

这一惊人的转变证明了通过严格的结

晶过程和相变过程气凝胶还可以保持它的纳米骨架，拥有气凝胶态的钻石具有十分广

阔的应用前景。

图表6：

CRF气凝胶制备

3.2.2、干燥技术

a、超临界干燥技术是干燥工艺中较为经典的干燥方法，其原理是通过高温、高压使干燥介质（常用二氧化碳）达到超临界状态，消除气-液界面，有效避免表面张力的产生，保持凝胶的良好性能，该技术可以制得无裂纹、透明、超低密度（密度小于3kg/m3）的SiO2气凝胶。

从产品性能的角度考虑，超临界干燥至今仍具有不可替代的优势并已经实现了工业化，但是高达数十乃至上百个大气压的临界压力对设备、成本、操作技术以及安全都会造成负面影响，尤其容易出现设备爆炸的事故，因此目前研究人员正在不断研究和尝试新的干燥技术来替代超临界干燥。

b、亚临界干燥技术是相对于超临界干燥技术而言的，是指调节干燥过程的实验参数，控制高压釜内的温度和压力于干燥介质的超临界点以下的干燥方法。

亚临界干燥使得制备压力从6.4MPa降至2.3MPa，降低了制备成本和安全风险，同时SiO2气凝胶的疏水性能提高了其环境适应性。

c、冷冻干燥技术是在低温、低压下把液-气界面转化为气-固界面，固-气转化避免了在凝胶孔内形成弯曲液面，再使溶剂升华，消除了毛细管力的影响，进一步实现凝胶的干燥。

冷冻干燥是一种新型的气凝胶干燥技术，但由于纳米结构硅凝胶的冷冻

干燥可能产生气孔坍塌甚至成为粉末，其不能制备出单片集成电路气凝胶。

d、常压干燥技术：

由于超临界干燥工艺复杂、成本高，且具有一定的危险性，其他干燥工艺发展还不够成熟，以合理的成本大规模制备气凝胶一直是具有挑战性的课题。

采用常压干燥技术制备气凝胶既降低了危险性，又减少了成本，能在常温常压下制备出块体气凝胶材料，具有很高的实用价值，因此常压干燥技术是目前非超临界干燥技术的主要研究方向。

3.3、气凝胶改性

气凝胶材料本身具有强度低、脆性高的缺点，为了克服这一缺点，需要对气凝胶

材料进行改性。

目前气凝胶材料改性最常用的方法就是掺杂，即加入掺杂剂或者增强

／增韧材料，制备复合气凝胶材料。

复合气凝胶材料的制备方法通常有两种：

一种是在凝胶过程前加入掺杂材料；另

一种是先制备气凝胶颗粒或者粉末，再加入掺杂材料和黏结剂，经模压或注塑成型制成二次成型的复合体。

常用的掺杂材料有玻璃纤维、莫来石纤维、岩棉、硅酸铝纤维等。

掺杂材料种类的选择主要依气凝胶复合材料的应用目的而定。

4、气凝胶的产品形式及应用

4.1、气凝胶的产品形式

当前气凝胶的产品形态主要有保温气凝胶毡、板、布、纸、颗粒、粉末和异形件等。

气凝胶毡、板、布、纸和异形件，都是气凝胶与相应产品形态的纤维复合所得产品，基本的技术工艺是类似的，但是产品应用有较大的区别。

图表7：

SiO2气凝胶的产品形式

气凝胶毡是当前产量最大、应用最广的气凝胶产品，美国的某气凝胶企业更是挑明了只生产气凝胶毡，航天军工、石油化工、冶金建材、冰箱冷库等所有应用领域都可以采用气凝胶毡。

气凝胶布、纸和异形件主要用于一些特殊需要领域。

如气凝胶布主要是服装鞋帽领域，气凝胶纸（薄毡）主要是热电池和一些空间极小或管径极细或希望缠绕施工的领域，气凝胶异形件基本上都是军工应用和制作可拆卸保温套。

气凝胶板，其实毡与板一个主要区别仅仅是硬度的不同，毡有柔韧性可卷曲，板有一定的刚度，不易弯曲。

板的主要应用是大型设备保温以及未来的建筑节能内外墙的保温。

对板而言，当前一个挑战就是厚度，客户往往希望可以达到5-10cm的厚度，而目前气凝胶产品最大厚度仅为1cm。

以上产品共同面临的一个问题就是产品表面粉尘，也是气凝胶产品除了高成本外

的又一痛点，国外某公司产品对该问题已经有显著改善，国内目前还没有无尘产品上

市，但应该很快也会攻克。

气凝胶颗粒，目前主要应用是利用气凝胶透明性，填充在PC板或者中空玻璃中做采光