北京陈晓红 访北京化工大学教授、博士生导师陈晓红

     本报记者董亚楠   气凝胶作为当今世界上已知的最轻固体材料,具有极大的比表面积和极低的导热系数。不同于其他纳米材料,含纳米孔的气凝胶在热学、光学、声学和电学上都有独特的特点。

气凝胶这些独特的性质使得其在航天航空、国防军工、建筑、石油化工、水处理、能源、医药等领域具有广阔的应用前景。近几年,欧洲和美国、德国、日本等工业发达国家和地区高度重视气凝胶的发展,并斥巨资扩大生产规模。

气凝胶已经从一开始的航天军工材料逐渐向民用材料转化,以替代传统的高耗能材料,如:绿色建筑节能气凝胶玻璃、墙体保温材料、工业管道和锅炉气凝胶保温毡等。在我国,仅有少数高校和企业从事气凝胶的开发和应用研究,人们对气凝胶这种新材料的了解还甚少。

  在工信部批复成立的中国绿色建材产业发展联盟中,气凝胶创新应用推进中心作为二级组织机构,由从事气凝胶研究、生产、应用及服务的代表企业以及相关科研院校、企事业单位共同发起,搭建起了一个气凝胶在建材行业研发推广的平台。

  气凝胶到底是一种什么样的神奇材料,以至于被外媒称之为十大未来材料之首,被誉为革命性的新材料?记者带着这样的疑问来到气凝胶创新应用推进中心技术合作伙伴——北京化工大学,采访了北京化工大学教授、博士生导师陈晓红,请她带领我们领略气凝胶这种神秘材料。

  一种应用广泛的神奇材料   对于气凝胶这种新材料,陈晓红说:在气凝胶研究中,我们首先要识别什么才是真正的气凝胶。

人们对气凝胶的认知还不是很清晰,对气凝胶产品也不是很了解,甚至有人误认为空气中的雾霾也是气凝胶。

其实气凝胶有严格的定义,它是通过溶胶凝胶的过程,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固态材料。   当记者问到当前气凝胶的应用情况时,陈晓红说:同样作为先进材料的气凝胶虽然不似石墨烯那样广受关注,但其在宇宙探索、航天等方面有着不可替代的突出贡献,气凝胶其实在航天航空、国防军工、石油化工、轨道交通、电力工业、建筑节能、特种服装、汽车内饰、医药、农业食品、催化剂载体、能源电池、水处理等诸多领域具有重要的应用潜力。

  气凝胶这种在国际上被称为改变世界的神奇材料,目前已经得以应用的只是冰山一角,现今还有大部分应用领域没有被开发出来,这也是我们高等院校和科研院所正在努力做的工作。

可喜的是,现在我国有一些企业已经开始将气凝胶应用在医药、农药、食品添加剂、化妆品,吸附剂等领域进行研究研发,可以说今后更多领域中还会出现更多的气凝胶产品。

陈晓红介绍说。   近年来,国内一些大企业有了在建筑建材领域引入气凝胶的想法,并为此做了大量准备工作。一些企业已经取得了一定的成绩,让气凝胶隔热的优越性在建筑、石油化工、医药、农药等行业发挥作用,气凝胶毡作为一种保温新材料开始应用在建筑工程和石油管道、气凝胶隔热玻璃、保温窗等产品批量生产线。

气凝胶隔热涂料新产品也已进入市场。陈晓红介绍说,当前气凝胶最高能承受1100℃的高温,从我们目前实验室的研究结果看来,作为高温隔热陶瓷复合材料还有很大的突破空间。

  根据实际需求生产优质产品   据了解,我国早在2007年在新疆克拉玛依油田就已经开始应用气凝胶毡,现在其保温效果得到了行业的普遍认可,我国气凝胶毡已经达到了欧美发达国家的技术水平。

但由于气凝胶产品的特性和发展阶段,当前我国气凝胶还没有形成一个成熟的行业,没有形成成熟的产业链,上下游对气凝胶产业的支撑不足。

气凝胶到现在还没有得到广泛的应用,其原因主要是人们普遍认其应用成本较高,有些产品性能存在进一步提升的空间。   陈晓红认为,关于气凝胶的价格问题应该从整体考虑、例如应用在建筑方面,气凝胶产品与聚苯板、聚氨酯、酚醛板等传统保温材料相比价格确实要高出很多,但是作为一种无机保温材料来说,从其使用寿命、保温效果、产品性能、节能环保长效回报率等方面考虑要远高于传统材料,可以说是一种赢在未来的建筑保温材料。

并且气凝胶产品可以分成不同的档次,航天航空、医药等高精尖端领域可以应用高档的产品,建筑建材领域可以应用利用低成本简单制备的中、低档产品。 针对气凝胶产品还存在的一些问题,陈晓红介绍说:目前气凝胶存在产品规格和性能单一,气凝胶隔热毡产品经常出现掉粉问题,不过企业已经有些经过技术攻关基本解决了气凝胶毡掉粉问题。

气凝胶产品在建筑领域应用上的真正难点在于产品价格以及生产企业与建筑施工单位没有得到很好的对接,许多气凝胶的研发和生产单位应该与建筑施工单位沟通,相互了解在工程上的具体要求,包括运输、裁剪、安装、维护等方面。

陈晓红说,当前生产出的气凝胶玻璃主要在中空玻璃中加填气凝胶,规格为120cm×80cm,但是在建筑领域中经常出现240cm的大跨度玻璃,而且还有许多建筑需要玻璃弧度,这都是当前气凝胶玻璃无法满足的。

这些现实问题限制了气凝胶玻璃的应用范围。所以只有真正了解了客户的需求,根据不同需求进行生产,产品才能得到真正推广与应用。

目前气凝胶的性能在不断提升、品种也不断增加,包括隔热纸、隔热毡、隔热膜、隔热布、隔热玻璃等不同类型的产品。 共同协作攻克发展难题 对于进行推进气凝胶产业的发展,陈晓红说,气凝胶的前景非常广阔,建议搭建起气凝胶生产企业、应用企业、高校和科研院所的对接平台,共同推进气凝胶产业的发展。

陈晓红说:与其说气凝胶是新材料产品,不如说它类似于一种添加剂。

纯粹的气凝胶非常的轻,而且易碎,直接用手就能将它捏碎。气凝胶产品是必须通过基体支撑材料进行复合后才能真正发挥它的作用。气凝胶可以与玻璃纤维、炭纤维、橡胶、塑料、陶瓷、玻璃、水泥、纺织布、金属等基体支撑材料相结合,生产出气凝胶复合产品。

这就要求在研发的过程中要做好对接工作,了解基体材料特性,以及满足应用不同行业客户的需求。 在气凝胶研发过程中,高校、科研院所和企业要做好对接工作。当前我国进行气凝胶研究的高等院校都集中在气凝胶的低成本制备和开发不同应用范围,如何将不同品种的气凝胶产品推广应用替代传统高耗能产品,这就需要相关企业勇于创新,发挥气凝胶材料的优异性能来解决传统材料中遇到的问题。

陈晓红说:如果产学研不能很好地对接,那么我们的实验和研究只会产生一堆数据,并不能真正地为社会所用。气凝胶生产企业将高校的科研成果应用起来,并将生产应用中遇到的问题反馈给高校,产学研相结合共同攻克技术难题,双方搭建沟通共享的平台,达到数据共享、平台共用,才能共同推进气凝胶产品应用。

我对气凝胶的应用推广满怀期望,但是要真正走上工业化的道路,生产出成熟的、满足市场需要的气凝胶产品还要走一段探索的路,陈晓红强调。

当前不论从事气凝胶研发的高等院所还是从事生产的相关企业,大家的共识就是若将气凝胶产品推广到各行各业中将对国民经济的发展和节能减排有着重要推动作用,有可能还会解决一些如防火隔热、高效无毒药物载体等问题。在应用的过程中如何将气凝胶的结构和特性很好地发挥作用是我们当前科研工作的重点,这就要求生产企业、应用单位、高等院校、科研院所进行共同协作积极推进气凝胶新产品的开发和应用推广。