一种新型绝热材料在低温储运装备上的应用展望

王 坤

(南通中集罐式储运设备制造有限公司，江苏南通 226003)

1 引言

世界经济的迅猛发展，极大促进了低温工业气体如LO2、LN2、LAR、LNG等的需求，同时也极大地促进了这些低温介质的运输，由于低温介质的获得需要耗费很多的能量，对于绿色环保节能的大需求，低温运输装备的绝热性能就变得非常重要。

2 低温真空绝热方式

低温绝热材料主要有纤维形状、微孔形状、层状结构以及纳米微孔等结构。目前典型的低温运输装备如低温罐箱、低温罐车均采用较多的为高真空多层绝热，保温性能较好，表1列出了几种典型的绝热真空绝热方式优缺点:

由于目前真空绝热中，具有的“难于对复杂形状绝热，存在平行方向的导热，真空度要求高，绝热材料本身有放气”这些缺点，对于目前低温储运装备领域的绝热性能，真空度的维持都有一定的影响，需要寻找另一种更加好的低温绝热材料。气凝胶作为一种优秀的绝热材料，成为研究方向。

3 气凝胶及特性

工业和低温应用对隔热材料提出了诸多要求。必须易于应用，在宽温度范围内提供出色的绝热性能，并且在恶劣的环境条件下不随时间而劣化。

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散轻质固体材料，因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”(如图1所示)，作为世界上最轻的固体，其99%的组成成分是气体，这使得气凝胶呈云雾状，外观看起来像云一样。

表1 几种典型的真空绝热方式优缺点

图1 云雾状的气凝胶

被称为“改变世界的神奇材料”的气凝胶，是世界上最轻的固体材料之一。最常见的气凝胶为SiO2气凝胶。SiO2气凝胶是一种防热隔热性能非常优秀的轻质纳米多孔非晶固体材料，其孔隙率高达80% ～99.8%，孔洞的典型尺寸为1～100 nm，比表面积为200～1 000 m2/g，而密度可低至3 kg/m3，比空气重三倍。具体气凝胶用于低温储运装备上的一些优异性能。

3.1 高隔热性

由于气凝胶中大量细小气孔的尺寸处于纳米级，小于空气分子70 mm的平均自由程，所以气凝胶复合材料具有极低的导热系数，可达到0.013～0.016 W/(m·K)，低于静态空气0.024 W/(m·K)的热导系数，由于气凝胶的导热性是传统材料(例如聚氨酯泡沫、矿棉、珍珠岩和泡沫玻璃)的1/2～1/4，因此，可在同样的厚度和明显减少的隔热用料下提供更高的热效率，比相应的无机绝缘材料低2～3个数量级。高温下不分解，无有害气体放出，属于绿色环保型材料。SiO2气凝胶与各种耐热纤维复合后，可制成各种形式的保温材料。

美国的Science杂志把气凝胶列为十大热门科学之一。虽然，气凝胶的主要成分是空气，但其具有优异的绝热性能，用喷枪在一层薄薄的气凝胶下加热都不能使气凝胶上面的火柴点燃。一块2.54 cm厚的气凝胶就拥有每两层间具有气室的15块玻璃板叠层的绝热能力。

3.2 耐久性

由无定形无机二氧化硅制成，不含像聚氨酯泡沫一样会随时间降解的发泡剂，因此气凝胶的性能持久而稳定。其弹性机械性能使其可容易地适应机械运动和振动，而不会像珍珠岩般沉降。卡博特气凝胶是完全疏水的，不像许多隔热材料会吸收水分。

3.3 易用性

气凝胶的柔韧性特别好，非常易于为不同形状的绝热结构提供定制的产品，如颗粒状(如图2所示)，片状(如图3所示)，被子状等。其中颗粒尤其适用于松散填充应用，甚至可填充复杂几何结构(如双壁罐)中以及配件和阀门周围的小空穴，片状适合于在现场切割、收卷和成形，并以最少的产尘用于安装到管道、储罐和其他设备上，被状则可以为管道系统中的快速安装而设计。此外气凝胶的折射率、声阻抗都很低，吸附性能极其优良;正是由于这些特点使气凝胶材料在热学、声学、光学、微电子、粒子探测方面有很广阔的应用潜力和前景。重点关注其在低温隔热上的应用。

4 气凝胶缺点及优化改进

虽然超轻气凝胶有很多优点，也具有一些缺点，如强度低，韧性差，它不能作为单独的材料用于保温工程，因此需要采用各种办法对气凝胶进行处理，增强和增韧。如采用玻璃纤维、岩棉、硅酸铝纤维等作为增强材料。通过特殊工艺处理，增强而增韧后的气凝胶复合材料的导热系数仍然特别低。

图2 颗粒状气凝胶

5 气凝胶的绝热原理

图3 片状气凝胶

针对低温材料的漏热主要有三种方式:热传导、对流和辐射。气凝胶超级绝热材料的特性决定了上述的三种漏热非常低，从而实现良好的保温效果。

对于热对流漏热，空气分子的平均自由程为70 nm左右，而气凝胶中孔隙的平均直径仅为40～60 nm，空气几乎无法在气凝胶孔隙中流动，这样就极大地抑制了空气的对流导热，这是其他的绝热材料无法比拟的。

对于热传导漏热，作为绝热材料的导热损失，主要和材料本身固有的导热系数，以及材料的密度有关。气凝胶作为密度最低的绝热材料，以及其最高达98%的多孔率，也决定了其自身的导热损失已接近极低。

对于热辐射漏热，由于大量微孔的存在，气凝胶具有无限多的孔壁，形成辐射的反射面和折射面，很好地阻隔了辐射漏热，同时由于气凝胶的热辐射属于3～5 um区域的红外热辐射，对于红外光具有较好的遮蔽作用，所以其辐射漏热很低，同时还可以在气凝胶中加入一些纳米级的反辐射物质，对辐射漏热有很好的反射/吸收作用，这样就可以更好抑制气凝胶的辐射漏热。

6 气凝胶研发状况

图4 全球气凝胶生产区域分布

1931年，气凝胶诞生于美国。目前来看，气凝胶全球重点发展区域主要集中在美国、德国、英国如图4所示，其中，依托于强大的技术开发实力和新产品开发力度，美国的应用领域尤为突出，在高性能气凝胶应用方面，美国已经成功应用于航空航天、新能源、建筑以及高级体育用品等方面。我国在气凝胶研究和开发方面属早期阶段，主要集中在附加值较高的航空航天、医药等方面，众多领域仍属空白。

国外气凝胶生产企业主要集中在欧美地区和日本。美国从事气凝胶生产企业在10多家左右，主要有Aspan公司、CABOT公司和ThermaBlok公司，三家公司产量在美国国内占据65%以上份额，此外新罕布什尔州Kalwall建筑材料公司在气凝胶下游产品开发中亦颇具实力。德国与俄罗斯在气凝胶研发与生产方面后起直追，气凝胶产量总体呈上升趋势。下面重点介绍2家美国研发企业。

6.1 ASPEN气凝胶公司

阿斯彭气凝胶公司是美国航空航天管理局下属的一家公司，该公司一直致力于把气凝胶推向市场。

阿斯彭气凝胶公司(Aspen Aerogels)目前主要业务是应用气凝胶制造工业用隔热材料，这家企业已经开始销售充气气凝胶垫，这种气凝胶垫能够让现有的建筑更节能。在英国和美国部分地区，阿斯彭气凝胶公司已经安装了这种材料，包括2008年在美国罗德岛的建筑项目。

气凝胶由抽取了液态物质的凝胶制成，其中有90%以上的物质为空气。气凝胶具有的纳米多孔结构使得热量很难穿透其中。这样一来，气凝胶是一种很好的轻质隔热材料。出于成本考虑，阿斯彭气凝胶公司过去主要将这种材料的发展重点放在高端工业应用项目上，比如隔热油与天然气管道应用，甚至火星飞船上。

现在，阿斯彭气凝胶公司开始提供超薄气凝胶垫，它可以替代传统的玻璃纤维，泡沫材料以及纤维隔热材料。阿斯彭气凝胶公司现在所开发设计生产的气凝胶的前期成本仍然比较高，但这种材料的成本已经降到一个民用可以承担的价格点，尤其适合用于砖石或拱形墙的建造。

早在2008年阿斯彭气凝胶公司在北美开设了第二家生产厂，未来阿斯彭气凝胶公司完全有能力，有成本优势进军传统的建筑隔热市场。

2009年1月16日阿斯彭气凝胶公司和三星美国公司签署了一份合作销售协议。协议规定，三星将在美国和欧洲推广和销售阿斯彭气凝胶隔热产品给集中太阳能热产业。

三星公司将销售高性能的阿斯彭气凝胶隔热产品，以在能源市场中建立不断增长的销售份额。这种战略联盟将有助于两个公司的稳步成长，并使三星公司扩大其在可替代能源市场中的销售范围。

6.2 CABOT 公司

有120年历史的美国卡博特公司，是一家专业生产特殊化工产品和特种化工材料的全球性跨国公司，在世界五大洲23个国家有39家生产企业，其经营范围包括炭黑、气相白炭黑、喷墨颜料、微电子材料、纳米胶、塑料色母粒以及特殊流体等。全球雇员约4 200名，在美国有多个研究中心及实验工厂，其生产技术、产品品种和质量均居于世界领先水平。在美国公司年度排名中(只考虑财务状况)，卡博特公司位列797名;在由CIO杂志评出的美国“前100家企业”中卡博特因为公司在整合和系统规范化的突出表现而入选。

20世纪90年代，CABOT公司成为第一家使用专利技术将气凝胶生产过程商业化，并在室温条件下生产出气凝胶的公司。

目前，CABOT建筑用气凝胶材料已经有了一定的研究和应用。主要有气凝胶节能窗、气凝胶涂料、气凝胶新型板材和屋面太阳能集热器等，依托公司强大的技术研发实力，Cabot公司在未来完全有可能在气凝胶新产品开发上取得进一步的突破。

在海洋工程方面，CABOT公司正在与包括工程服务公司、管道预制厂和海工建设EP总包商在内的多家公司展开合作，分别研制出了Nanogel，ExpansionPac，NanogelCompessionPack等多种新型系列产品，以将其掌握的气凝胶生产技术广泛应用于原油管线、LNG管线、LNG船和储油轮的工程设计中。预计第一个气凝胶管道系统将于近期顺利完工。

7 气凝胶产品在低温绝热上的应用

7.1 太空服

气凝胶正用来为人类首次登陆火星时所穿的太空服研制一种保温隔热衬里。Aspen Aerogel公司的一位资深科学家马克·克拉耶夫斯基认为，一层18 mm的气凝胶将足以保护宇航员抵御－130℃的低温，可见他是最棒的绝热材料。

7.2 航天器放热瓦，燃料箱隔热层

飞机上记录飞行状况数据的黑匣子已用新型气凝胶产品作为隔热层，美国美洲豹战斗机的机舱隔热层采用的也是该材料，美国NASA在火星流浪者的设计中，也用过SiO2气凝胶材料作为保温层，用来抵挡火星夜晚－100℃以下的超低温。美国NASA Ames研究中心研发的硅酸铝耐火纤维/SiO2气凝胶复合绝热瓦已用于航天飞机，俄罗斯的“和平号”空间站也采用了SiO2气凝胶作为隔热保温材料。

7.3 LNG海底低温管道

由于LNG海底低温管道的特殊性，目前更多的意见是倾向于采用气凝胶材料绝热层和9%镍钢降低了内层管壁。这种材料的绝热性能远高于传统绝热材料，因此达到要求的绝热性能所需要的材料用量较少，相应降低了绝热层的厚度和外层管壁的直径，降低了管道成本。这种材料具有防水的特性，不会因为水分的降解而降低绝热性能，但是这种材料价格较高。

7.4 LNG 船

美国的卡博特公司(Cabot)正在研究，利用气凝胶来建造LNG船，而对于LNG船的气体储藏库来说，如果能够使用气凝胶，那么不但具有很好的绝热效果，同时也能大量缩减储藏库的体积。

8 展望

总体来说，气凝胶具有质量轻、低绝热性、防水性，易于成型等特色已经成为低温绝热领域的一个新的热点，在军用低温领域已经获得了成功的使用，目前在民用领域也在越来越重视其应用研究，降低制备成本，优化超临界干燥工艺，制造高品质气凝胶等都成为今后各国科学家共同努力突破的关键。

期待气凝胶能在低温罐箱、低温储罐、低温罐车的真空绝热材料选择上取代目前使用的多层绝热材料，获得广泛的应用并提升低温装备的性能。

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