木材科研新成果之一：崛起气凝胶，助力碳中和 ——木材气凝胶新材料 -尊龙凯时平台登录

一、气凝胶的前世今生

    气凝胶是目前世界上密度最小的固体。被称为“凝固的烟”、“蓝烟”。曾被《科学》杂志誉为“可以改变世界的神奇材料”。气凝胶凭借极低的密度、极小的孔径、极低的隔热系数、极低的声音传播速度等创下15 项“吉尼斯世界纪录”。气凝胶由90%以上的空气和不足10%的固体构成，它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200℃时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。

    关于气凝胶有一个广为传播的典故，它的诞生源于美国科学家steven. s. kistler与朋友的一次打赌，看谁能够将果冻内的液体换成气体同时不使固体结构发生变化。众所周知，如果直接通过蒸发将胶体中的液体与固体分离，由于毛细管力的强大作用，必然会导致固体的收缩和结构坍塌。经过不断的探索，kistler终于用超临界干燥技术完美地解决了这个世界难题，制备了出世界上第一块sio₂气凝胶。1931 年，nature 杂志上发表标题为《共聚扩散气凝胶与果冻》标志着气凝胶的正式问世。

     气凝胶的发展经历了第一代无机气凝胶和第二代有机聚合物气凝胶第一代无机气凝胶主要采用sio₂、 tio₂ 、al₂o₃等无机物制备，其机械性能差、易碎。第二代有机聚合物气凝胶利用间苯二酚-甲醛等有机聚合物制备获得，其机械性能得到了很好的提升，但环境不友好。目前气凝胶发展到第三代，主要是基于天然高分子聚合物的制备气凝胶，其具有良好的机械性能且可降解、可再生。

    二、木材气凝胶的优良特性

    中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机物气凝胶与木材骨架基体复合首创了第三代气凝胶型木材新材料。并且通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，研发了具有独立知识产权的第三代木质纤维素气凝胶。所研发的木材气凝胶导热系数低至0.032 w/m.k，孔隙率在98.5-99.8%之间；且具备可调、可控性，其密度0.2-6 mg/cm³可调，厚度0.5-20 cm可调，界面润湿性可控。产品对油污的吸附能力高达自身质量的75-300倍，体积用量缩减50-75%，具备良好的机械性能，且可降解、可再生。目前已研制亲水和超疏水木材气凝胶两大系列产品，疏水木材气凝胶水接触角在150-156°之间，具有弹性和形状记忆性。卢芸研究员团队在气凝胶研发领域授权国家发明专利18件，荣获梁希林业科学技术奖一等奖1项。

   三、气凝胶的应用领域

   随着国家“双碳”战略的提出，木材作为具有固碳作用、质轻高强的可再生材料，受到建筑、塑料等行业的广泛关注。由于木材气凝胶与天然木材相比，具有更低的密度、更低的导热系数和更高的可变形性，使得其在很多领域具有广泛的应用或潜在的应用前景。

 1、航空航天领域应用

   与传统绝热材料相比，气凝胶超级绝热材料可以用更轻的质量、更小的体积达到等效的隔热效果，这一特点使其在航空航天应用领域具有举足轻重的优势。航空发动机的隔热材料使用气凝胶既能起到极好的隔热作用，又减轻了发动机重量。

    2、工业保温领域应用

   工业节能中，纳米孔超级绝热材料也起着非常重要的作用，其中有些特殊的部位和环境，由于受重量、体积和空间的限制，气凝胶超级绝热材料就可以发挥更大的作用。而且气凝胶的耐高温防火特性，在化工领域设备的保温上应用更加适合。

   3、建筑领域应用

    气凝胶及其复合材料在不同建筑领域，有不同的应用，可以起到卓有成效的节能效果。材料包括气凝胶毡/板、气凝胶保温砂浆、气凝胶阳光板，气凝胶隔热涂料等。

     4、交通领域应用

       因气凝胶具备良好的隔热保温和隔声性能，在交通领域主要应用在汽车防火隔热保温降噪层、大容量电池组防火防水保温盒，危险化学品运输车、液化天然气运输船等特种运输工具的保温防火层，高铁和地铁车体保温隔热降噪防火层等。

    5、环境领域应用

    凝胶因其极大的比表面积及其特殊的纳米多孔网状结构，使其具有很好的吸附性能，是活性炭吸附能力的6倍，可广泛应用于废水处理、水体净化和油污吸附以及vocs气体吸附，是一种新型绿色环保吸附材料。

    6、日常方面应用

     气凝胶在日常生活中也大有用武之地。气凝胶优异的隔热性能，可作为鞋垫、运动鞋、服装的填充层，在较低温度下进行保温。现在高端化妆品行业、体育用品行业也将气凝胶应用于产品中。随着人们对气凝胶的认识和研究的普及，相信它的应用领域会越来越大。

   四、结语

    气凝胶从发现至今其技术步入成熟阶段，目前正处在产业化浪潮的快速发展中。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，气凝胶市场日益成熟。2010年开始，国内首批气凝胶生产企业陆续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。2020年中国气凝胶制品产量约为12.6万吨，气凝胶材料产量约为10万立方米，气凝胶行业规模约29.9亿元。

    站在国家“双碳”和“十四五”高质量发展的赛道上，气凝胶行业一定是大有可为的。在国家大力提倡节能的背景下，保温材料市场容量将大幅增加。传统的保温材料虽然具有一定保温性能，也能一定程度上满足原先化工、电力、钢铁等行业的节能要求，但是在“双碳”目标下，自身也面临保温材料生产过程中的能耗需要进一步降低，保温性能需要进一步提升等问题。气凝胶保温材料性能优异，正是传统保温材料的革命性升级替代产品。气凝胶材料在国家发展改革委发布《国家重点节能低碳技术推广目录》（2014~2017年）中多次被列入。横跨新材料和节能环保两大战略新兴产业，自身发展过程中也能享受很多国家产业升级、绿色低碳技术相关政策支持，这些在“双碳”目标下，将转化为自身发展的重大机遇。

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