关于中国气凝胶产业的几点思考 (三)

龙晨

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#1
三、可供选择的技术路线

  为方便后面讨论,及方便部分对气凝胶感兴趣,但对制备工艺不太了解的朋友阅读,这里简要介绍气凝胶的制备工艺。

  简单来说,气凝胶制备包含以下过程:

气凝胶性能主要由其纳米孔洞结构决定,一般通过溶胶-凝胶工艺获得所需纳米孔洞和相应凝胶骨架,由于凝胶骨架内部的溶剂存在表面张力,在普通的干燥条件下会造成骨架的坍缩,气凝胶制备技术核心在于避免干燥过程中由于毛细管力导致纳米孔洞结构塌陷。

   对应地,为消除应力,一般可以从以下几个方面采取措施  根据干燥工艺的不同,主要分为超临界干燥工艺和常压干燥工艺两种,其他尚未实现批量生产技术还有真空冷冻干燥、亚临界干燥等。

  超临界干燥技术是最早实现批量制备气凝胶技术,已经较为成熟,也是目前国内外气凝胶企业采用较多的技术。超临界干燥旨在通过压力和温度的控制,使溶剂在干燥过程中达到其本身的临界点,形成一种超临界流体,处于超临界状态的溶剂无明显表面张力,从而可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架结构。目前已经实现批产技术一般采用二氧化碳作为干燥介质,简称二氧化碳超临界干燥技术。

  常压干燥一种新型的气凝胶制备工艺,是当前研究最活跃,发展潜力最大的气凝胶批产技术。其原理是采用疏水基团对凝胶骨架进行改性,避免凝胶孔洞表面的硅羟基相互结合并提高弹性,同时采用低表面张力液体置换凝胶原来高比表面积的水或乙醇从而可以在常压下直接干燥获得性能优异的气凝胶材料。

  下面对两种技术路线做简要的分析对比:

  设备投入:超临界干燥技术使用核心设备为高压釜,一般工作压力高达7~20MPa,属于特种设备中的压力容器,设备系统较为复杂,运行和维护成本也较高,目前国内已有能提供成套制备超临界设备的厂家,但数量不多,业主的议价能力较弱。常压干燥技术采用常规的常压设备,相对超临界干燥由于不需要高压条件,设备投入低,设备系统也较为简单,因为大部分化工设备单位都能加工制造,业主议价能力较强。

  生产成本:气凝胶的生产成本主要集中在硅源、设备折旧和能耗三块。硅源主要包括水玻璃和有机硅。有机硅价格较为昂贵,但是纯度高,工艺适应性好,既可以应用于超临界干燥工艺,也可以适用于常压干燥工艺,目前国内外采用超临界干燥工艺的企业基本上都是采用有机硅源。水玻璃价格低廉,但是杂质较多,去除杂质的工艺较为繁琐,目前主要应用于常压干燥技术中。设备折旧方面,因超临界干燥技术设备投资较高,折旧要要高于常压技术。能耗方面,超临界干燥系统耗电要高于常压干燥系统,蒸汽消耗方面两者差别不大。因此,一般而言采用常压干燥技术的生产成本要低于超临界干燥。

  产品性能:就二氧化硅气凝胶而言,目前超临界干燥技术和常压干燥技术生产产品没有任何显著或实质意义的区别,基本上超临界技术能达到技术指标,常压干燥工艺都能达到。在非二氧化硅硅气凝胶制备方面,超临界干燥工艺要成熟很多,不过还没有量产的报道。

  技术门槛:相对而言,超临界干燥技术的生产效率、安全性,乃至工艺变更都对设备系统有较高依赖度,如果设备厂家提供设备系统较为成熟可靠,业主进入技术门槛相对较低,这也是许多气凝胶行业新进入者选择超临界工艺原因之一,但也因此受到较多制约。常压干燥技术设备的投资门槛较低,但是技术门槛却较高,对配方的设计和流程组合优化有较高要求,如果技术不过关,不仅生产成本可能高于超临界,甚至于性能指标也不能达到要求。

  拓展空间:超临界干燥作为高压特种设备,如果要扩大生产规模,固定资产投入是巨大的,气凝胶未来如果要迎接建筑保温的巨大市场,比如达到年产50万立方米(这仅是目前中小规模建材企业的规模),采用超临界干燥技术的设备设备投入将高达数十亿,十分不利于气凝胶企业的做大做强。而常压干燥技术,随着规模扩大,投入产出比会进一步提高,可以较少投资获得较大生产规模,因而更能适应未来大生产的需要。此外,受限于硅源,超临界的原料成本降低空间有限,只能通过优化系统提高生产效率,而常压干燥对廉价硅源有较强接纳能力,流程优化方面也有较多自由度,因而拥有更大的成本下降空间。