金承黎

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，因其輕若薄霧藍(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)也最為成熟，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最好的材料，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(jí)，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(jìng)爭(zhēng)力的高新技術(shù)及產(chǎn)品之一，從某種意義上講，中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)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，國內(nèi)大學(xué)在氣凝膠領(lǐng)域研究的深度和廣度，國內(nèi)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)新和低成本制造在全球攻城拔寨。

一、國內(nèi)外氣凝膠的市場(chǎng)情況

1.全球氣凝膠市場(chǎng)情況

Allied Market Research研究公司2014年6月發(fā)布的報(bào)告稱，全球氣凝膠的市場(chǎng)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(cè)期內(nèi)（從2014-2020年）的年復(fù)合增長率為36.4%（如圖1所示）。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，隨著時(shí)間的推移市場(chǎng)增長的動(dòng)力會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

據(jù)了解，美國阿斯彭氣凝膠公司（ASPEN AEROGELS，INC.） 2008-2013年的復(fù)合增長率為33.8%，Allied Market Research研究公司的報(bào)告可以認(rèn)為是主要基于美國Aspen公司業(yè)績(jī)情況的較為保守的預(yù)測(cè)報(bào)告，實(shí)際上隨著亞太市場(chǎng)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)展速度將顯著加快。

據(jù)弗里多尼亞集團(tuán)（The Freedonia Group）報(bào)告，在2010年，全球絕熱材料市場(chǎng)估計(jì)規(guī)模為321億美元，未來年增長率為6.3%，預(yù)計(jì)到2019年可達(dá)556億美元（如圖2所示）。其中工業(yè)和設(shè)備領(lǐng)域約占總份額1/3，建筑領(lǐng)域占總份額的2/3。

根據(jù)圖2所示，氣凝膠材料目前占據(jù)了整個(gè)絕熱材料市場(chǎng)金字塔模型的塔尖部分，在整個(gè)絕熱材料市場(chǎng)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。

目前制約氣凝膠市場(chǎng)拓展的最大障礙是高昂的價(jià)格，一旦氣凝膠材料的生產(chǎn)成本得以顯著下降，市場(chǎng)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（如圖3所示）。

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(chǎng)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)。筆者依據(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。

隨著氣凝膠制造成本的顯著降低和產(chǎn)能迅速擴(kuò)張，筆者預(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，替換速度會(huì)更快，未來5～10年，可能達(dá)到每年19億～170億美元的規(guī)模（如圖4所示）。

2.國內(nèi)氣凝膠市場(chǎng)情況

國內(nèi)市場(chǎng)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(chǎng)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)量大約為8 500 m3，進(jìn)口產(chǎn)品大約1 500m3，市場(chǎng)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(chǎng)日益成熟。

中國作為新興經(jīng)濟(jì)體，在市場(chǎng)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16 000～20 000m3（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19 600m3，進(jìn)口產(chǎn)品約1 000m3，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模3.30億元，2020年將達(dá)到37.16億元，2015-2020年的復(fù)合增長率約達(dá)61.1%（如圖5所示）。

預(yù)計(jì)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（如圖6所示）；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(chǎng)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(chǎng)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)1 200億元。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。圣筆者公司推斷，預(yù)計(jì)2015-2020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多億元的市場(chǎng)。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1 000多億元的市場(chǎng)。

二、可供選擇的技術(shù)路線

氣凝膠的制備工藝簡(jiǎn)單來說包含的過程如圖7所示。

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，具體分析請(qǐng)見圖8。

對(duì)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（如圖9所示）。

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2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)，即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(duì)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(duì)2種技術(shù)路線做簡(jiǎn)要的分析對(duì)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(duì)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(jiǎn)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3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)，蒸汽消耗方面二者差別不大。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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)，比如達(dá)到年產(chǎn)50萬m3（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)十億元，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(duì)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(shì)，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(jìng)爭(zhēng)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)將最終獲得壓倒性的勝利。（未完待續(xù)）