我国气凝胶材料研究与产业化现状

余伟业

1931年，Steven.S.Kistler在《自然》杂志上发表了题为《共聚扩散气凝胶与果冻》（Coherent expanded aerogels and jellies）的论文，业界以此作为气凝胶诞生的标志。气凝胶已经历3次产业化浪潮，当前正处于以我国企业为主导的新一轮产业化浪潮中。随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩大，我国气凝胶企业成功开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、轨交车厢及船体防火隔热保温的应用市场，气凝胶市场日益成熟。

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锂离子动力电池箱中某块电池单体过热造成的连锁效应，解决三元锂电池的安全痛点，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[1-3]。

本文先从分类及应用的角度对气凝胶当前产品形式作简要介绍，再利用专利分析对我国当前气凝胶研发态势进行分析。最后基于网络调研和专利解读，对当前国内气凝胶领域重点企业的产品、专利布局进行分析，以说明当前我国气凝胶产业应用现状。

1 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。

1.1 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[4]。

1.2 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。

1.3 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。

1.4 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、六钛酸钾晶须等为填料，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[5，6]。

2 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4 923条（图1）。

从图1可见，近10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、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%（见图2）。

对图2的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，分别为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。图3对我国气凝胶领域专利的申请人类型进行了分析，有44%的专利申请来自于企业，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（见图3）。

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，结果如表1所示。

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，表明當前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，气凝胶在锂离子动力蓄电池应用方面也有一定专利，表明锂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。

3 国内气凝胶材料主要企业分析

3.1 主要企业概况

国内气凝胶领域主要企业目前包括广东埃力生高新科技有限公司、纳诺科技有限公司、爱彼爱和新材料有限公司、江苏安珈新材料科技有限公司等。

3.1.1 广东埃力生高新科技有限公司

广东埃力生高新科技有限公司于2007年落户广东省英德市，是国内大规模工业化生产气凝胶绝热材料的领军企业，其开创了国内完整、连续的气凝胶隔热材料大型产业化生产技术，具备大型工业化生产气凝胶及气凝胶复合隔热材料能力，现已发展成为国内第1家、全球第2大能规模化生产气凝胶材料的领军企业，年产能达到50 000m3/年。其主要产品包括气凝胶颗粒、气凝胶毡以及气凝胶板等3大系列产品。在研发方面，广东埃力生高新科技有限公司拥有长期稳定的核心研发团队，具有丰富的气凝胶产品研发和项目开展经验；同时，积极开展与高校的产学研合作，并设立专家顾问团队。

3.1.2 爱彼爱和新材料有限公司

爱彼爱和新材料有限公司于2015年3月正式注册成立，厂区位于沧州临港工业园区，是我国早期介入气凝胶工业化生产的企业之一。公司业务涵盖气凝胶及气凝胶复合材料的研发、生产及销售，并可提供基于气凝胶材料的防火、绝热和节能综合解决方案。2017年初，爱彼爱和拥有自主知识产权的全球单条产能最大的气凝胶生产线调试、运行成功。该生产线二期建设完成后，爱彼爱和将具备30 000m3/年的气凝胶材料生产能力。在研发方面，公司研发团队由3名博士生导师、教授带领，核心成员曾承担多项国家863和973技术攻关项目。研发部分主要分为材料研发中心和化学研究中心，中心实验及检测面积达4700㎡，配备有小型二氧化碳（CO2）超临界实验装置、智能型干法粒度仪、气相色谱有机挥发有害物（TVOC）检测仪、材料热分析仪、导热系数测试仪、建材不燃性试验炉、气相色谱、液相色谱及卡尔费休水分测定仪等。公司先后与美国波士顿大学、中国科学院、同济大学以及北京理工大学等共建了联合实验室和课题组。

3.3.3 纳诺科技有限公司

纳诺科技有限公司成立于2004年4月，坐落于浙江省绍兴市，公司业务涵盖气凝胶及其复合材料的研发、生产和销售于一体的国家高新技术企业。2011年建成年产300万m2气凝胶全自动化生产线，是国内从事早、规模大、实力强的SiO2纳米孔超级隔热材料研发与制造基地。目前，纳诺科技有限公司已形成轨道交通、公共节能、石油化工、装备配套、海外营销五大行业为依托的市场布局，同时以华北、华东、西北设立的分支机构辐射全国，海内外业务遍及50多个国家和地区。在研发方面，纳诺科技有限公司拥有一支由知名专家、教授、博士等组成的研发团队，专业技术人员占公司员工的30%以上。公司建有省级企业技术研发中心，先后承担了国家科技支撑计划项目、国家重点研发计划项目、国家重大科技专项课题、省重大科技专项重点工业项目。

3.1.4 江苏安珈新材料科技有限公司

江苏安珈新材料科技有限公司是南京工业大学学科型公司，专业从事气凝胶绝热材料产品的研发、生产、成套设备、技术服务和销售的企业。该公司将投资约2亿元，建成年产20 000m3/年的气凝胶绝热材料生产线。在研发方面，技术力量主要依托南京工业大学沈晓冬教授团队，先后承担了国家“973”重点基础研究发展计划、国家自然科学基金等省部级项目30余项。

3.2 主要企业产品分析

基于公开资料整理，对上述几个主要企业的产品与服务进行分析（见表2），可见产品多为卷材（绝热毡）、气凝胶颗粒、气凝胶板、涂料等，主要集中在产业链的上游，少数有保温套、柔性毯、面料等产业链中下游产品。

3.3 主要企业专利技术分布

对上述企业作为专利权人的有效专利关键词按照材料、产品、方法、设备、性能等领域分类，结果如表3所示。在材料方面，主要集中在SiO2及其改性或纤维复合材料；在产品专利方面，主要集中在板材、卷材、涂料等上游产品或者手套、保温箱、保温杯等日用品，值得关注的是，爱彼爱和新材料有限公司、纳诺科技有限公司均在锂离子电池隔热方面有专利部署；在制备方法上，多数专利使用超临界法，爱彼爱和新材料有限公司在常压干燥上有专利部署；在性能上，相关企业的专利主要研究气凝胶的隔热性能；此外，在气凝胶的传送、预处理、剪裁等设备上有一定的专利部署。

4 结论

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10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，而锂离子动力蓄电池也成为了关注的热点。

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。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.006

致谢：本文获得“广东科技信息资源与技术情报服务平台建设（1819180010）”的支持。

参考文献

[1] 沈晓冬，吴晓栋，孔勇，等.气凝胶纳米材料的研究进展[J].中国材料进展，2018，37（9）：671—680，692.

[2] 吴晓栋，宋梓豪，王伟.气凝胶材料的研究进展[J].南京工业大学学报（自然科学版），2020，42（4）：405—451.

[3] 姜凯，白臻祖，黄珊.气凝胶的研究进展[J].云南化工，2020，47（6）：1—5.

[4] 張由素，刘丰，练绵炎，等.SiO2气凝胶毡在化工管道领域应用研究[J].化工新型材料，2016，44（1）：250—251.

[5] 海晨晨，刘新状，刘晓通.保温隔热涂料的应用与研究进展概述[J].新材料产业，2020（4）：60—62.

[6] 杨秀英，李广东，邱敏蓉.气凝胶在涂料中的研究与应用[J].石化技术，2015，22（3）：80，92.