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氣凝膠的性質

隔熱性

氣凝膠的特殊結構使氣凝膠不同于其他多孔材料的熱特性,我公司現開發生產的SiO2氣凝膠復合材料是由非晶體型硅膠和基材氈在超臨界CO2流體中干燥而得到的,它有效的降低氣凝膠本身的高脆性,增強其與基材之間的價鍵結構,并且成為一種最具發展前景的超級隔熱材料。

隔音性

由于硅氣凝膠的低聲速特性,它還是一種理想的聲學延遲或高溫隔音材料。該材料的聲阻抗可變范圍較大(103—107 kg/m2·s),是一種較理想的超聲探測器的聲阻耦合材料。有實驗結果表明,密度在300 kg/m3左右的硅氣凝膠作為耦合材料,能使聲強提高30 dB,如果采用具有密度梯度的硅氣凝膠,可望得到更高的聲強增益。

非線性光學性質

由于硅氣凝膠的納米網絡內形成量子點結構,化學氣相滲透法摻Si及溶液法摻C60的結果表明,摻雜劑是以納米晶粒的形式存在,并觀察到很強的可見光發射,為多孔硅的量子限制效應發光提供了有力證據。利用硅氣凝膠的結構以及C60的非線性光學效應,可進一步研制新型激光防護鏡。

過濾與催化性質

納米結構的氣凝膠還可作為新型氣體過濾 ,與其它材料不同的是該材料孔洞大小分布均勻,氣孔率高,是一種高效氣體過濾材料。由于該材料特別大的比表棉積。氣凝膠在作為新型催化劑或催化劑的載體方而亦有廣闊的應用前景。

吸附性

氣凝膠還是環保材料。氣凝膠被科學家們描述為終極海綿,其表面的數百萬小孔使其成為在水中吸附污染物的理想材料。可用于海上漏油處理、色素吸附劑。卡納茨迪斯已經研制出一種新型氣凝膠,用于除去水中的鉛和水銀。某些形式的氣凝膠可吸附溢出的油,可以用它來處理一些環境災禍。

儲能性

碳氣凝膠是繼纖維狀活性碳以后發展起來的一種新型碳素材料,它具有很大的比表面積(800—1000m2/g)和高電導率(10—25s/cm)且密度變化范圍廣(0.05—1.0g/cm3)。如在其微孔洞內充入適當的電解液,可以制成新型可充電電池,它具有儲電容量大、內阻小、重量輕、充放電能力強、可多次重復使用等優異特性。有實驗結果表明:碳氣凝膠的充電容量3×104/kg2,功率密度為7kw/kg,反復充放電性能良好。

折射率可調性

硅氣凝膠的折射率接近l,而且對紫外和可見光的湮滅系數之比達100以上,能有效地透過太陽光中的可見光部分,并阻隔其中的紫外光部分,成為一種理想的透明隔熱材料,在太陽能利用和建筑物節能方面已經得到應用。有研究表明氣凝膠玻璃代替傳統玻璃蓋板可大大提高集熱器效率,其良好的絕熱性能可以減少蓋板與吸熱板及蓋板與周圍環境的熱損失,頂部熱損失可降低達64%

管道保溫行業

目前保溫行業應用最廣、實踐最多的在管道保溫方面,包括輸油管道保溫、蒸汽管道保溫、供暖系統、保冷等。

在保溫隔熱方面可選用的保溫材料種類有:

使用溫度

可選用材料

導熱系數W/m· K

100-400

玻璃棉

在平均溫度70±5時,導熱系數≤0.043W/mK

400-450

電解石棉布

0.03420℃)

600

氣凝膠玻纖復合材

常溫下0.016

650

E玻纖針刺氈

常溫下0.038W/ m · K

750

蛭石涂層玻纖布

與涂層有關

900

高硅氧玻璃纖維

常溫下0.038W/ m · K

1000

陶瓷纖維涂層布

陶瓷纖維燒結布

與涂層有關

1100

氣凝膠陶纖復合材

常溫下0.0202

1250

耐火布

高硅氧玻璃纖維針刺氈

高鋁硅酸鋁纖維針刺氈

高鋁氈含Al2O3≥52%,工作溫度1250

0.034(20)0.096(400)0.132(600)

1350

高鋯硅酸鋁纖維針刺氈

高鋯氈含ZrO2≥39%,工作溫度1350

在保冷管道方面可供選用的保溫材料種類有

靈活的彈性泡沫

靈活的封閉孔橡塑保溫泡沫基礎是 NBR 或三元乙丙橡膠。

靈活橡膠泡沫廣泛應用于制冷、空調管道保溫上;靈活的彈性泡沫也用于加熱和熱水系統的管道保溫上。

硬泡棉

剛性管道保溫,酚醛泡沫管道保溫材料是最普遍應用的。

聚乙烯

聚乙烯被廣泛用于防止冰凍的家庭供水管道。

氣凝膠復合氈

可用于低溫管道,隔熱保冷

部分管道保溫材料在應用時需與防潮層和保護層配合安裝,安裝工序多,應用范圍受限制:


上圖,保溫結構Ⅰ型、
Ⅱ型用于室內架空管道,Ⅲ型、Ⅳ型用于地溝及潮濕環境。Ⅱ型絕熱層宜選用帶有復合鋁箔貼面的絕熱材料制品。

 

石油化工保溫行業

油田是產能大戶,同時也是耗能大戶,石油石化每年使用的各類保溫材料總量占全國保溫材料總消耗量的四分之一左右。大量的管道及熱力設備需保溫及保冷絕熱。石油化工保溫行業面臨的最大問題是保溫材料對管道的腐蝕,主要針對的是100--500度的高溫管線。保溫的目的是防止介質溫度降低或高溫傷人,用于原油保溫是為了降低粘度幫助輸送。

石油管道保溫方面現用的材料種類有:

項目

材料種類

備注

保溫

玻璃纖維制品,礦棉制品、發泡式合成橡膠制品,聚乙烯制品及硅酸鈣

稠油熱采注蒸汽管線(270360℃)管線使用的保溫材料及保溫結構則不同,可使用巖棉、玻璃棉、硅酸鋁纖維,也可使用珍珠巖、硅酸鈣;硅酸鹽復合管殼及玻璃棉管殼等。

保冷

聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、泡沫玻璃

保冷技術較復雜及保冷工程應用量較大

原油管道保溫而且一般采用普通巖棉,還有部分采用離心玻璃棉(220℃時導熱系數0.039W/mK)。一般成品油管道是不需要保溫的,比如汽油、柴油都不需要保溫,成品油管線需做保溫,是因為在東北和冬季,熱脹冷縮會凍裂管道,影響穩定供應。原油經過分餾塔高溫分離出來是需要保溫的,但產品經過多級換熱后就不需要保溫了,塔底油須保溫因為是渣油稠度大。

氣凝膠作為極具開發潛力的新型超級保溫隔熱材料也可用于石油開采、輸送管道,石油煉化管道保溫,與傳統保溫材料相比有如下特點:

比較項

傳統保溫材料

氣凝膠保溫隔熱材料

隔熱性

導熱系數在常溫下多在0.036W/mK左右,材料安裝厚度大,占用空間多,在狹小空間作業效果差。

氣凝膠保溫材料在常溫下的導熱系數為0.016 W/mK,可以大幅降低保溫層安裝厚度,有效提高安裝空間且減小熱損失,節能效果優異。

使用壽命

傳統保溫材料壽命短,需經常維護、更換的問題;管線因保溫效果下降,長期使用內部流體在末端已經無法達到設計的溫度及壓力要求

氣凝膠保溫材料抗壓強度高,性能穩定,使用壽命長

結構性

傳統硅酸鹽類保溫材料結構力差,容易出現上薄下厚的現象

氣凝膠保溫材料為柔性材料,可根據復雜的形狀、彎曲度和空間限制等來裁剪材料和安裝

防水性

大多數傳統的無機材料都沒有防水效果,容易造成管線腐蝕,使得管線無法保證設計壓力要求

疏水性氣凝膠保溫材料具有良好的防水效果,在最大程度上防止和減少管線腐蝕

用量

傳統保溫材料用量大,運輸、儲存成本大

氣凝膠保溫材料用量少,降低運輸及儲存成本

 

爐體保溫

爐體保溫材料是一種用于爐體絕熱,不僅減少通過爐體的熱損失、提高燃料的利用率,而且有利于提高爐溫、強化生產,改善爐子周圍環境的勞動條件的材料。根據實際形態、功能,爐體保溫材料又可分為散裝隔熱保溫耐火材料、定形隔熱保溫耐火材料、纖維狀隔熱保溫材料、復合隔熱保溫材料、不定形隔熱保溫耐火材料、特種隔熱保溫材料、高溫蓄熱材料等。

分類

材料種類

實際應用

散裝隔熱保溫耐火材料

空心球、漂珠、硅藻土、珍珠巖等

適合于各種反應釜、熔化爐、煅燒爐

定形隔熱保溫耐火材料

輕質黏土磚、輕質高鋁磚、輕質莫來石磚、輕質硅保溫磚等

纖維狀隔熱保溫材料

石棉、巖棉和硅酸鋁耐火纖維等

復合隔熱保溫材料

超細氧化硅微粉復合隔熱材料、硅酸鈣絕熱材料、煉鋼中間包用絕熱板等

煅燒爐、熔融爐

不定形隔熱保溫耐火材料

磷酸鋁碳化硅耐火搗打料、鋼纖維澆注料、GD170型耐火澆注料、水泥窯用高熱高鋁型、水玻璃耐火澆注料

適用于旋風爐液態排渣爐和循環流化床鍋爐煤灰沖擊與磨蝕嚴重的部位

特種隔熱保溫材料

如氣凝膠復合材料

適用于各種爐體

高溫蓄熱材料

Li2OAl2O3TiO2等高溫燒結成型的混合材料

六水氯化鈣

金屬氫化物和氨化物的叮逆化學反應進行蓄熱

把高峰期多余的動力、 工業余熱廢熱或太陽能等通過蓄熱材料儲存起來,在使用時通過蓄熱材料釋放出熱量 ,用于采暖、供熱等

氣凝膠保溫材料也可以廣泛應用于蒸汽鍋爐、高溫熔融爐、高溫煅燒爐、垃圾焚燒爐、馬弗爐、導熱油爐、石化廠分餾塔等爐體。

比較項

傳統保溫材料

氣凝膠保溫隔熱材料

導熱性

傳統材料在高溫條件下隔熱性能降低明顯

氣凝膠材料在高溫下的隔熱效果相對傳統材料會更加明顯,可大大減低熱損失,500℃導熱系數只有0.035 W/m?K

有效空間

保溫層厚度大,導致鍋爐體積龐大,而有效使用空間小

有效降低保溫層厚度,可以使鍋爐體瘦身,提供更多的有效使用空間

隔熱性

隔熱層的致密性不夠好,很難阻擋熱氣流

氣凝膠復合保溫材料致密性好,錯位接縫同樣可以起到很好的阻擋熱氣流的作用

溫控穩定性

保溫效果間接影響鍋爐的溫度控制,不利于維持爐體的溫度穩定性

采用氣凝膠材料可以為鍋爐的溫控性大大提高

對周圍環境影響

很難為操作者提供較安全和較舒適的工作環境

更好的改善鍋爐周邊環境的舒適與安全性

 

 

建筑保溫

我國建筑節能的基本目標

新建采暖居住建筑:

第一階段:1996年在19801981年當地通用設計能耗水平基礎上普遍降低30%

第二階段:1996年起在達到第一階段要求的基礎上節能50%

第三階段:2005年在達到第二階段要求的基礎上再節能30%

既有建筑節能改造:

2000年起重點城市成片開始;2005年起各城市普遍開始;2010年重點城市普遍推行。

建筑節能的涵義

指在建筑材料生產、房屋建筑施工及使用過程中,合理、有效地利用能源,在滿足同等需求和目的的條件下,盡可能降低能耗,以達到提高建筑舒適性和節省能源的目標。

建筑能耗的構成

名稱

內容

建造能耗

建筑材料、建筑構配件、建筑設備在生產、運輸、施工和安裝中的能耗

使用能耗

建筑物在采暖、通風、空調、照明、家用電器和熱水供應中的能耗

通常使用能耗與建造能耗之比,約為8:29:1

建筑的保溫隔熱損失來源

圍護結構保溫隔熱:傳熱損失約占70%80%

門窗的氣密性:傳熱損失約占20%30%

根據《夏熱東冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ134—2001,我國建筑熱工分區及設計要求如下表所示:

分區名稱

分區指標

設計要求

主要指標

輔助指標

夏熱冬冷地區

最冷月平均溫度0~10℃,最熱月平均溫度25~30

日平均溫度小于5℃的天數0~90d,日平均溫度大于25℃的天數40~110d

必須滿足夏季防熱要求,適當兼顧冬季保溫

由于建筑材料自身的熱導率高:普通混凝土的熱導率1.75W/( m·K),粘土磚砌體0.81W/( m·K),玻璃棉、巖棉和聚苯乙烯0.040.05W/( m·K)。想要降低建筑材料的熱導率,提高保溫效果只能通過降低保溫層熱導率,室內外傳熱示意圖如下所示。


室內外傳熱示意圖

氣凝膠保溫材料具有極低的導熱系數,屬于高效保溫材料。該材料熱阻高、傳熱系數低、高效防火、能大幅降低保溫層厚度,有效切斷建筑物與外界的傳熱途徑,使用壽命長等優點,可以結合相關的應用方案應用在建筑內墻區域。整體疏水性氣凝膠可用作地板預鋪墊層,保暖隔濕。氣凝膠抗壓能力強,同時能增強防水層阻隔水汽通過,適合溫濕氣候地區使用,且隔熱層不會滋生細菌,是建筑保溫應用的最佳選擇。

 

汽車保溫

汽車在連續運行過程中,在尾部發動機及排氣管部位會產生大量的熱,使得發動機及排氣管部位的溫度很高,為確保汽車的正常行走和延長汽車個部件的使用壽命,對發動機及排氣管的隔熱非常重要。

發動機及排氣管一般溫度在350度左右,常見的巖棉、玻璃纖維氈、陶瓷纖維布雖然都能耐受這樣的溫度,但車身是比較緊湊的,不可能有太多的空間來做隔熱,因此這些材料在這方面的使用受到了一定的局限。6—10mm的氣凝膠復合材料具有低于上述材料的熱導率,可任意切割及彎曲的便捷施工和高于它們的使用壽命,可廣泛的在汽車保溫隔熱方面應用。

                                    

                                                 
                                                            



艙體保溫

氣凝膠保溫材料可用于各種艙體保溫如礦山救生艙、輪船船艙、潛艇工作艙、氣凝膠也可用于低溫存儲艙。

礦山救生艙是一種典型的特殊艙體,在救援過程中可能長時間處于高溫煙氣環境中,為保障救生艙內避難人員的安全,提高救生艙的高溫防護能力和結構力非常重要。根據國際普遍的礦井救護隊在礦井事故救援過程中的經驗,煤礦井下的災變環境溫度可能長時間處于50攝氏度,因此,應用于我國煤礦井下的救生艙溫度防護指標至少應為55攝氏度,在外界環境溫度持續保持在55攝氏度的條件下,救生艙必須依靠自身結構和設備將艙內溫度控制在35攝氏度以下。作為優秀的隔熱材料,氣凝膠保溫隔熱材料已經流行于礦用救生艙隔熱層,可以提高救生艙的防火性能和溫度控制性能,增加救生艙的有效空間,節約能源的消耗。  
             
   

軍事領域

氣凝膠保溫材料可用作未來的防彈住宅和軍用車輛裝甲。

防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進行測試。氣凝膠被認為是世界上最輕的固體之一,可以經受住1公斤炸藥的爆炸威力,讓你遠離1300攝氏度以上噴燈的高溫。根據試驗室的試驗情況來看,如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠,那么,就算炸藥直接炸中,對金屬片也分毫無傷。

航空航天方面

氣凝膠獨特的性能最早適用于航空航天方面,美國宇航局科學家研制出的一種氣凝膠,作為世界最輕的固體,入選吉尼斯世界紀錄。

氣凝膠就像一個極其柔軟的棒球手套,可以輕輕地消減彗星星塵的速度,使它在滑行一段相當于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進入氣凝膠手套后,星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡,由于氣凝膠幾乎是透明的,科學家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。2006年,美國國家宇航局的星塵號空間探測器帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。

氣凝膠的導熱性和折射率也很低,絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍,俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進行熱絕緣。

氣凝膠正用來為人類首次登陸火星時所穿的太空服研制一種保溫隔熱襯里。2002年,美國宇航局創立的阿斯彭氣凝膠公司生產了一種更堅固、更柔韌的氣凝膠。現在它被用來制作人類首次登上火星時所穿太空服的保溫隔熱襯里,派宇航員登陸火星預定于2018年進行。該公司的一位資深科學家馬克?克拉耶夫斯基認為,一層18毫米厚的氣凝膠足以幫助宇航員抵御-130℃的低溫。

 


日用品行業

氣凝膠在日常生活中已有的應用:

1、氣凝膠用于平板太陽能集熱器

上海電力學院段芮等有研究表明氣凝膠的應用確實可以提高平板集熱器的效率:(1)降低頂部熱損失普通玻璃蓋板頂部熱損失為7.14W/m2 ? ℃,而氣凝膠玻璃蓋板頂部熱損失僅為2.562 W/ m2 ? ℃,頂部熱損失降低了64%(2) 提高集熱器效率傳統玻璃蓋板集熱器的效率為0.3162 ,氣凝膠玻璃充當蓋板效率為0.4855 ,效率提高了53.5%。氣凝膠玻璃代替傳統玻璃蓋板可大大提高集熱器效率,其良好的絕熱性能可以減少蓋板與吸熱板及蓋板與周圍環境的熱損失。

2、氣凝膠用于住房保暖

2001年,英國諾丁漢66歲的鮑勃·斯托克爾成為第一個將氣凝膠用于住房的英國人:“保溫加熱的效果非常好,我將空調的溫度下降了5℃,結果室內的溫度仍然非常舒適。”

3氣凝膠用于加固球拍

運動器材公司鄧祿普(Dunlop)研制出一系列用氣凝膠加固的壁球和網球球拍,據說這種球拍能釋放更大的力量。

4、氣凝膠用做鞋墊

2000年,英國登山家安尼?帕爾門特穿上帶氣凝膠鞋墊的靴子爬上珠穆朗瑪峰,他的睡袋里也有一層這種新材料。

5、氣凝膠用作冬裝材料

Hugo Boss公司推出了一系列用這種材料制成的冬季夾克,但在消費者紛紛抱怨這種衣服太熱之后不得不下架。

氣凝膠在日常生活中還將開發的應用領域:

1、氣凝膠用作汽車發動機隔熱系統

2、氣凝膠用作潛水衣填充物

3、氣凝膠玻璃用于日常生活,與普通玻璃配合使用,保溫隔熱

 

其他領域

SiO2氣凝膠也曾一度被用于等離子體研究中作為慣性限制熔融試驗體目標組分。因其具有低的表觀密度和熱導率,極好的耐高溫性能,極低的聲傳播速度,氣凝膠作為高效隔熱消音材料很有前途。由輕原子量元素組成的低密度、微孔分布均勻的SiO2氣凝膠對氖具有良好的吸附性能,因而為慣性約束聚變實驗研制高增益靶提供了一個新途徑,這對于利用受控熱核聚變反應來獲得廉價、清潔的能源具有重要意義。

環保是新型氣凝膠的另一重要作用。科學家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿”,因為其表面有成百上千萬的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學家新發明的氣凝膠現在居然能吸出水中的鉛和水銀。據這位科學家稱,這種氣凝膠是處理生態災難的絕好材料,比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后,72000噸原油外泄,如果當時用上這種材料的話,那么就不會導致整個海岸受到嚴重的污染。

 

 

 
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