绝热新材料气凝胶行业分析报告.docx

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绝热新材料气凝胶行业分析报告

2017年绝热新材料气凝胶行业分析报告

2017年1月

目录

一、什么是气凝胶？

..............................................................4

二、气凝胶的分类..................................................................5

三、气凝胶的制备..................................................................6

（一）气凝胶的制备过程............................................................6

（二）气凝胶的制备技术............................................................8

四、气凝胶的产品形式及应用..............................................11

（一）气凝胶的产品形式......................................................11

（二）气凝胶的应用领域...........................................................13

（三）气凝胶的应用现状...........................................................16

五、气凝胶的应用市场..........................................................18

（一）气凝胶全球市场分析..................................................18

（二）气凝胶国内市场分析.......................................................20

六、全球主要气凝胶生产厂商..............................................22

（一）国外主要气凝胶企业..................................................22

（二）国内主要气凝胶企业..................................................23

图目录

图1：

气凝胶.............................................................................4

图2：

按成分分类的气凝胶.....................................................5

图3：

气凝胶的制备过程.........................................................7

图4：

无机气凝胶溶胶-凝胶技术............................................8

图5：

RF气凝胶的制备过程...................................................8

图6：

CRF气凝胶制备...........................................................9

图7：

SIO2气凝胶的产品形式.............................................11

图8：

与传统保温材料导热系数对比..................................12

图9：

气凝胶全球市场规模..................................................14

图10：

全球绝热材料和气凝胶市场规模对比....................15

图11：

2014年和2015年国内气凝胶产量情况.................16

图12：

国内气凝胶市场规模预测........................................18

图13：

2019年国内气凝胶应用占比预测...........................20

表目录

表1：

气凝胶的特性及应用...................................................4

表2：

常见气凝胶的基本性能...............................................6

表3：

ASPEN产品信息.......................................................17

表4：

CABOT气凝胶产品分类..........................................18

表5：

埃力生产品信息.........................................................19

表6：

纳诺科技产品信息.....................................................24

表7：

纳诺科技气凝胶发展历程.........................................24

一、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1：

气凝胶的特性及应用

图1：

气凝胶

二、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2：

按成分分类的气凝胶

表2：

常见气凝胶的基本性能

三、气凝胶的制备

（一）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3：

气凝胶的制备过程

（二）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。

（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6：

CRF气凝胶制备

（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。

（三）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。

四、气凝胶的产品形式及应用

（一）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隔热板，虽有一定市场应用但是规模较小。

气凝胶粉末，相对而言，气凝胶粉末是最初级也是最容易生产成本最低的产品（之前了解的纳米材料大部分都是粉体，就是因为纳米粉体制备工艺相对简单），气凝胶产业化历史应该也是从粉体开始的，不过迄今为止，尚没有为气凝胶粉体找到有实质意义的批量应用。

（二）气凝胶的应用领域

高孔隙率、低密度、低折射率、低热导率等许多独特的性质使得气凝胶在诸多领域具有广泛的应用或潜在的应用前景。

（1）超级绝热材料

室温下，SiO2气凝胶的热导率可达到0.013~0.016W/（m.K）（静态空气的热导率为0.024W/（m.K）），即使在800℃的高温下其热导率仅为0.043W/（m.K），是目前隔热性能最好的固态材料。

其具体应用涵盖了科研、工业、国防等保温隔热场合，尤其是航空航天和航海领域，同时，还可用于生活日用的多种场所，如建筑隔热（板材、玻璃）、衣物保暖、冰箱隔热、管道保温等，乃至提高太阳能集热器的效率等。

图8：

与传统保温材料导热系数对比

（2）储氢材料

近年来，能源短缺和环境污染问题加剧，寻找洁净的新能源和可再生能源以替代化石能源已经迫在眉睫。

氢能以其热值高、无污染、来源丰富等优点，越来越受到人们的重视。

要实现氢能的利用，氢的储运是目前要解决的关键问题。

新型纳米多孔碳气凝胶材料，具有纳米级孔洞（1~100nm）丰富、孔洞率高（>80%）、比表面积大（400~3200m2/g）、易成型、结构可控、易掺杂等优良特性，是一种极具潜力和竞争力的多孔吸附储氢材料。

（3）环保领域近年来，随着工业化进程的加快、资源的过度开发利用和人类活动范围的扩展，环境污染问题日益严重。

如印染工业排放的废水常常含有大量的有毒、难降解的有机污染物，这类污染物可使生态环境遭受严重的破坏。

SiO2气凝胶的高孔隙率和大比表面积使其具有很大的吸附能力，是性能良好的吸附剂，可广泛应用于废水处理、空气净化和核废弃物处理等环保领域。

研究发现氨基改性SiO2气凝胶对染料废水中的染料去除率达90%~100%，因此氨基改性纳米SiO2气凝胶是净化含染料废水的有效材料。

（4）电化学及电子领域

碳气凝胶由于具有高比表面积、均一纳米结构、强耐腐蚀性、低电阻系数及宽密度范围，被认为是制造高效高能电容器的理想材料。

气凝胶还有望应用于大规模集成电路的电化学分析电极材料和衬底材料。

（5）催化剂及催化剂载体

SiO2气凝胶具有粒径小、比表面积大和密度低等特点，这使其催化剂的活性和选择性远远高于常规催化剂，而且它还可以有效地减少副反应的发生。

（6）声阻耦合材料及高效隔音材料由于硅气凝胶的低声速特性，它可以作为一种理想的声学延迟或高效隔音材料。

该材料的声阻抗可变范围较大（103~107kg/（m2.s）），是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料。

用厚度为1/4声波长的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料，可提高声波的传输效率，降低器件应用中的信噪比。

用密度在300kg/m3左右的硅气凝胶作为耦合材料，能使声强提高30dB。

如果采用具有密度梯度的硅气凝胶，可望得到更高的声强增益。

（三）气凝胶的应用现状

气凝胶是一种结构特殊的纳米材料，具有许多特殊的物理、化学性质，在众多方面有着广泛的应用或潜在的应用前景，是极具开发潜力和研究价值的材料。

就目前而言，气凝胶材料的研究方向主要集中在制备工艺的更新换代上，人们正尝试研究出新的制备工艺来取代原有的成本较高、周期较长的制备工艺，而对于气凝胶复合材料的制备和研究较少。

因此，随着制备工艺的不断优化和调整，以气凝胶为基体的复合材料的研究应该会成为未来的研究方向之一，通过与其他材料复合，充分利用气凝胶材料在隔热等方面的性能优势，弥补其力学性能上的不足，从而使气凝胶材料更加广泛地应用到更多领域中，创造出更多的社会价值和经济价值。

五、气凝胶的应用市场

（一）气凝胶全球市场分析

2013年全球气凝胶市场规模约2.2亿美元，估计到2020年可达19亿美元，在2014-2020年预测期内年复合增长率高达36.4%。

图9：

气凝胶全球市场规模

气凝胶材料目前在全球绝热材料市场中的规模几乎是微不足道，这一方面说明气凝胶产业仍然处于早期起步阶段，但同时又预示着其未来巨大的发展空间。

图10：

全球绝热材料和气凝胶市场规模对比

（二）气凝胶国内市场分析

国内气凝胶市场起步较晚，前期市场主要被国外气凝胶产品占据，价格较为昂贵，市场推广力度较小。

近年来随着国内气凝胶企业逐步增多，实力不断增强，成本不断下降，规模不断扩大，再得益于国内节能减排政策推行和经济体量的迅速扩大，气凝胶行业进入快速发展通道。

2014年国内气凝胶产量大约在8500立方米，进口产品大约1500立方米，市场规模为1.82亿元；2015年是国内气凝胶规模的突变之年，新增产能达16000～20000立方米，实际产量19600立方米，进口产品约1000立方米，市场规模约3.30亿元。

随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩大，一些新兴应用不断开发出来，国内气凝胶市场将日益成熟，预计到2020年国内市场规模将达37亿元，年复合增长率高达61%。

图11：

2014年和2015年国内气凝胶产量情况

图12：

国内气凝胶市场规模预测

目前国内气凝胶的需求主要集中于军工领域的航天、兵器、舰艇等，民用领域的石油化工、轨道交通、电力工业、矿用井下救生舱和城镇热力管网已经形成一定的市场规模并继续快速增长，特种服装和帐篷、LNG管线、建筑节能也开始少量试用。

未来国内气凝胶将主要应用于建筑节能、石油石化、交通运输、电力工业等领域，预计到2019年约30%用于建筑节能领域，25%用于石油石化领域。

图13：

2019年国内气凝胶应用占比预测

六、全球主要气凝胶生产厂商

目前全球大约有六十家单位在进行量子点的研究，包括企业、大学、研究机构等，其中三大世界领先的量子点材料制造商-英国的Nanoco、美国的QDVision和德国的Nanosys，已逐步形成三足鼎立的态势，这三家公司几乎把市场瓜分殆尽，而杭州纳晶科技股份有限公司是国内唯一一家具备量子点技术研发实力的企业。

（一）国外主要气凝胶企业

（1）美国AspenAerogels

Aspen成立于1931年，是美国航空航天管理局（NASA）下属的一家公司，该公司过去出于成本考虑将气凝胶材料的发展重点放在了高端工业应用项目上，比如火星、飞船以及天然气管道等的隔热材料。

目前主要业务是用气凝胶制造工业用隔热材料，生产超薄气凝胶垫以代替传统的泡沫、纤维等隔热材料，进军传统的建筑隔热市场。

表3：

Aspen产品信息

（2）美国CABOT

CABOT公司历史最早可以追溯到1882年，迄今为止已有130多年历史，是全球领先的特种化学品和高性能材料跨国公司，是第一家在室温下生产气凝胶并使之商业化的公司，总部位于美国马萨诸塞州波士顿，在橡胶与特种炭黑、甲酸铯盐水、活性炭、气凝胶、精细铯化学品、气相金属氧化物、石墨烯、喷墨色浆、母料和导电混料等产品领域一直处于行业领导者地位。

表4：

CABOT气凝胶产品分类

（二）国内主要气凝胶企业

（1）广东埃力生高新科技有限公司埃力生高新科技有限公司是国内首家、全球第二家大规模工业化生产气凝胶隔热材料的领军企业，有着近十年的研发及生产经验，已经成功研发工业化生产气凝胶、气凝胶毡、气凝胶板三个系列的产品，可以应用于石油石化、工业管道、直埋保温管道、热电、冶炼、窑炉、家电、建筑、运输等各领域的保温隔热材料。

2015年该公司的气凝胶材料销售额约为5000万元，预计2016年可达8000万元。

表5：

埃力生产品信息

（2）纳诺科技有限公司

纳诺科技有限公司前身为绍兴市纳诺高科有限公司，成立于2004年4月，已建成年产200万平方米气凝胶全自动化生产线1条，是国内从事早、规模大、实力强的二氧化硅纳米孔超级隔热材料研发与制造基地，公司现已通过ISO9001:

2008国际质量体系认证，并获得浙江省高新技术产品认证。

该公司气凝胶项目已被列入国家“十二五科技支撑计划项目”、浙江省重大技术创新专项、浙江省发展循环经济百项重点项目、浙江省高新技术产业发展项目和科技部国内科技合作与成果引进转化项目，是绍兴市人民政府与清华大学、同济大学等大院名校高新技术产、学、研紧密合作的示范项目。

表6：

纳诺科技产品信息

表7：

纳诺科技气凝胶发展历程