气凝胶材料及其应用

王 亮 山西宏厦建筑工程第三有限公司

1 前言

作为当前气凝胶材料新一轮产业化的主阵地，我国气凝胶市场规模庞大。公开资料显示，2019年全球二氧化硅（SiO2）气凝胶市场规模达22亿元，而我国占比超过50%。从应用领域上看，能化领域是气凝胶材料的主要应用市场，2019年气凝胶下游应用中，能化领域市场占比达到82%；建筑材料领域虽然在当前气凝胶下游应用市场占比不高，但建材市场空间广阔，有望成为气凝胶的第2大应用场景；由于气凝胶制成的隔热片可以有效防止铿离子动力电池箱中某块电池单体过热造成的连锁效应，解决三元铿电池的安全痛点，新能源交通工具或将成为气凝胶在交通领域的主要增长引擎。

2 气凝胶功能性研究

CNK工文献现有研究显示，气凝胶材料的特殊功能。包含但不局限于热效应、光电效应、压电效应、介电效应、磁效应、力学效应、高化学性和表面活性等。虽然气凝胶材料具有较多功能性，但目前研究主要集中在热效应应用方面以及充分利用其绝热性、表面活性和高化学性的催化领域应用方面。

目前气凝胶的研究，主要集中在气凝胶材料催化、绝热、生物医药3个方面。同时，数据显示在绝热研究方向已经建立了相关标准，说明气凝胶材料在绝热研究方面已经趋于工业化。在生物医药方面文献数量，显示了气凝胶材料在生物医药方面存在巨大的经济市场。另外，科研工作者正逐步开发气凝胶材料的其他特性应用。

如中国科学技术大学俞书宏教授课题组以壳聚糖作三维软模板，研发了一种酚醛树脂（PFR）与二氧化硅（SiO2）共聚和纳米尺度相分离的合成新策略，成功研制了具有双网络结构的PFR/SiO2复合气凝胶材料。该复合气凝胶纤维的尺寸在20nm以内，具有双网络结构的树枝状的微观结构，且两种组分各自都成连续的网络。同时实现了有机、无机组分在纳米尺度上的均匀分散，并且两组分间具有很强的界面相互作用。研究人员通过调控硅源的添加量，调控复合气凝胶的密度、无机含量、力学强度等物理参数。

经研究，这种复合气凝胶材料可以承受60%的压缩而不破裂，具有一定的机械强度和可加工性。该复合气凝胶具有良好的隔热效果，最低热导率可达24mW/(m·K)，在相对低温和低湿度的环境下，其热导率维持在28mW/(m·K)，性能优于传统的发泡聚苯乙烯等材料。同时，这种材料在防火方面展现出优异的性能，可以避免在发生火灾时建筑物承力结构的失效，为人员撤离争取了时间。

3 气凝胶材料细分领域的研究

气凝胶材料按照有机无机分类可分为有机气凝胶和无机气凝胶，按照材料中的主要成分又有SiO2气凝胶、石墨烯气凝胶等。对于细分领域的研究状况，抽取了关注度较高的SiO2气凝胶、石墨烯气凝胶和有机气凝胶（大类）进行分析。

调查数据显示，除目前已开始逐步工业化的SiO2气凝胶材料研究比较火热外，石墨烯气凝胶材料的研究也异常火爆。无论在学术期刊还是在学位专业选修方面都引起科学工作者的高度关注，并投入了大量精力。石墨烯气凝胶材料引起科学工作者高度关注的主要原因是，石墨烯本身是一种关注度极高的新材料，而气凝胶新材料又被誉为21世纪超级新材，强强结合必然会提升石墨烯气凝胶材料所特有性能及其未来应用的经济价值。虽然目前还没有石墨烯气凝胶材料工业化生产案例，但预计未来可能会占据主导市场。

通过对相关文献分析，石墨烯气凝与不同新材料复合，开发并优化材料特性的思路，开拓了气凝胶材料研究的新篇章。

石墨烯气凝胶作为相变储能骨架材料。在这一结构设计中，石墨烯气凝胶中的石墨烯片层上均匀地镀上了铜层，且不同片层之间被铜镀层所连接。这种铜镀层不但增强石墨烯气凝胶网络结构，并赋予复合材料良好的导热性和骨架稳定性，有利于增强相变换热和抑制相变过程中的泄漏。此外，通过真空浸渍法将十八胺封装在骨架中，获得了结构稳定性高、泄漏率低的复合相变材料，保证了ODA在骨架材料中的均匀分散和填充。此外，其他科学工作者也对石墨烯气凝胶进行了大量的研究，在导电、电化学、催化、新能源等方面都取得很大进展。

目前，有机气凝胶方面的研究数量虽然较少，但有机材料充斥人们的生活，有机气凝胶的材料的研究必然赋予有机材料更多功能，有机气凝胶材料也将会成为材料细分领域工业化最多的产品形式之一。

4 气凝胶材料专利现状分析

对气凝胶材料相关专利进行分析，从专利申请态势、申请人类型、研究热点等角度了解当前气凝胶材料的应用现状及前景。在incopat专利检索平台对相关专利进行检索，共检索到专利4923条。

近十年我国气凝胶在领域的研究热度持续攀升，专利申请量从2011年的57件上升到2018年的908件（2019年，2020年专利未完全公开）。我国专利申请中，大部分为发明专利，占比达88.7%，其次是实用新型专利，占比为11.1%，外观设计专利较少，仅占0.2%。

对发明专利情况做进一步分析可知，发明专利授权率和有效率较高，分别64.07%和87.13%，表明本领域的专利质量较高；相较之下，气凝胶领域发明专利的转让率略低，为12.94%，这或许是因为企业作为申请人的发明专利占比较高。对我国气凝胶领域专利的申请人类型进行了分析，有44%的专利申请来自企业，其次是大专院校、科研机构和个人，分别占39%，9%和7%，同样说明了企业在气凝胶材料领域研发与应用的主体地位。

为分析当前气凝胶领域的研究热点，利用incopat平台聚类分析，对专利关键词进行聚类分析并对平台给出结果进一步筛选优化。

从聚类结果上看，气凝胶领域的专利研究主题主要集中在材料，炭气凝胶、氧化硅气凝胶、纳米纤维素、复合材料等，表明当前SiO2气凝胶、炭气凝胶仍是当前应用研究的热点，而复合是气凝胶材料的改善性能的主流方向；在产品方面，保温玻璃、气凝胶粉体、气凝胶毡等产品专利较多，值得一提的是，气凝胶在铿离子动力蓄电池应用方面也有一定专利，表明铿离子电池隔热片或许是气凝胶应用的重点方向；在制备方法上，专利研究主要集中在超临界法、射频辐射和常压干燥。

5 气凝胶材料的分类及应用

从应用产品形式分类，气凝胶主要可以分为气凝胶毡、气凝胶板、气凝胶颗粒和气凝胶涂料。

5.1 气凝胶毡

目前，气凝胶毡类产品主要是以纳米级SiO2气凝胶为主，通过一定工艺与碳纤维或玻璃纤维棉或预氧化纤维毡复合而成的柔性保温毡。气凝胶毡的主要特点是导热系数低，隔热效果是传统隔热材料2～5倍，能够有效降低保温层厚度；其次，气凝胶毡相对憎水，可有效防止水分进入管道或设备内部；此外，气凝胶毡质轻、易剪裁等特点大大降低了运输、安装和使用成本。因此，气凝胶毡被广泛用于工业管道、工业炉体、电厂、军舰舱壁、动车等领域。

5.2 气凝胶板

气凝胶板是气凝胶与其他材料复合制成的板材，与气凝胶毡的主要差异在于其不是在溶胶阶段与纤维材料复合，是以气凝胶材料或气凝胶材料为主的复合材料作为芯材，再与纤维、颗粒、砂浆、金属、有机聚合物等材料经过后期二次成型制得的刚性板材，可用于建筑、机器、设备等领域，最大程度地满足不同客户对保温层厚度、耐温及强度的要求。

5.3 气凝胶颗粒

目前的气凝胶颗粒产品主要是多孔、轻质且疏水的无定形SiO2气凝胶颗粒。气凝胶颗粒的制备方法成熟，一般是通过常压干燥成型的方法直接制备气凝胶粉体材料，或者先利用超临界方法制备大块气凝胶，然后通过不同破碎方法，得到不同粒径气凝胶颗粒。气凝胶颗粒兼具高内部容量与超高疏水性的特点，正日益在多种应用场景中得到运用，例如有机过滤和固存、填充聚合物补强、个人护理产品中的油脂吸收、触变性/流变性改性等。但是，因粉体材料不易成型，SiO2气凝胶粉末颗粒一般不单独作为隔热保温材料使用，常见的用途是作为涂料添加剂或采光玻璃中的填充层。

5.4 气凝胶涂料

目前，气凝胶涂料产品主要是以自交联丙烯酸乳液为成膜物，以SiO2气凝胶、空心玻璃微珠、六钦酸钾晶须等为填料，在多种助剂的配合下制备而成。气凝胶涂料具有薄层喷涂施工、纳米孔绝热、安全防火、环保节能、性价比高，无脱落风险等优点。当前，气凝胶涂料主要应用领域是建筑保温隔热，用于管道弯头、阀门、接头接缝等异型管道及设备保温的填缝、粘结及修补。随着产品的进一步开发，除SiO2气凝胶之外，陶瓷类气凝胶、石墨烯气凝胶等其他类型的气凝胶粉体也逐步应用到气凝胶涂料中，以改善目前SiO2气凝胶涂料在耐热、强度方面的不足。

6 结束语

整体来看，我国的气凝胶产业起步基本与国际同步，且发展势头强劲，年产量、消费量增速快，产业规模扩张迅速。虽然当前产品主要集中在工业管道保温领域，但是随着应用领域的不断拓宽，建筑和新能源汽车领域市场逐渐打开，未来市场前景广阔。

近十年，我国气凝胶领域专利申请量增长迅速，反映我国气凝胶领域的研究与应用热度持续攀升，而企业是当前专利申请的主要力量，表明我国气凝胶材料产业化进程中企业占主导地位。此外，气凝胶领域的专利整体质量较高。从气凝胶专利的主题词聚类结果来看，材料是关注的热点，当前主要集中在SiO2气凝胶，其中纤维复合改性是研究较多的方法；产品的专利申请主要围绕气凝胶毡、气凝胶板等传统产品，而铿离子动力蓄电池也成为关注的热点。

我国主要企业的产品主要集中在气凝胶颗粒、气凝胶毡、气凝胶板等相对接近原材料的产品，缺乏下游成型产品或配套服务，产业链有待进一步延伸。从企业专利布局来看，多为实用新型专利，主要集中在产品或设备。发明专利则在材料、制备方法上的比较集中，分别关注SiO2气凝胶以及超临界法。