Aplikace aerogelu křemičitého v oblasti tepelné izolace

Díky mnoha vynikajícím vlastnostem aerogelu křemičitého byl úspěšně aplikován v mnoha oblastech, jako jsou nosiče katalyzátorů, zvukově izolační materiály, tepelně izolační materiály, adsorpční materiály toxických plynů a materiály pro sběr kosmického prachu atd. S neustálým zlepšováním energetické hustoty nových energetických vozidel, zejména lithium-iontových baterií, se tepelná izolace a požární prevence baterií stala jedním z nejdůležitějších témat.

01 Letecký průmysl

Vysoce výkonné tepelně izolační materiály jsou jednou z klíčových součástí tepelné ochrany leteckých vozidel. U hyperzvukových vozidel za podmínek dlouhodobého aerodynamického ohřevu bude povrch těla generovat extrémně vysoké teploty. Aby se zabránilo hlavní struktuře letadla a vnitřních přístrojů Zařízení je poškozeno tepelnou erozí, takže je velmi důležité zvolit tepelně izolační materiál s vynikajícím komplexním výkonem.

Na jedné straně musí tepelně izolační materiál účinně blokovat tok vnějšího tepla do vnitřku těla, aby neovlivnil normální provoz souvisejícího zařízení těla; Je velmi důležité zvýšit užitečné zatížení a zvýšit letovou vzdálenost. Hustota aerogelu křemičitého je pouze o 0,08g/cm3 a tepelná vodivost při pokojové teplotě je až 0,016W/(m·K), která může splnit potřeby leteckého průmyslu pro lehké a účinné tepelně izolační materiály.

Nízká hmotnost a nízká tepelná vodivost aerogelu křemičitého z něj činí jeden z nejznepokojenějších materiálů v izolačních materiálech leteckého průmyslu, ale stále existují dva problémy při aplikaci aerogelu křemičitého v leteckém průmyslu:

① Mechanická pevnost samotného aerogelu je nízká, takže je obvykle nutné kombinovat aerogel s vláknovými materiály v leteckých aplikacích.  

②Limitní pracovní teplota aerogelu křemičitého je obvykle menší než 600°C, kterou nelze aplikovat na tepelnou izolaci koncových ploch nadzvukových nebo hyperzvukových letadel, které se rychle vyvíjejí. V budoucnu by měl být zvážen návrh vícefázové fúze fúze a mikrostruktury pro integraci. Rozsah aplikace aerogelu křemičitého je rozšířen na vyšší teplotu.

02 Obor vojenského průmyslu

Poptávka po vysoce výkonných technických výrobcích ve vojenském průmyslu je silnější než v civilní oblasti. Jako důležitý člen nových vysoce výkonných tepelně izolačních materiálů byl aerogel křemičitý oblíbený vojenským průmyslem.

Kromě toho NASA Ames Research Center ve Spojených státech používalo hliníková křemičitanová vlákna jako podpůrný rámec a naplnilo póry v žáruvzdorném vlákna křemičitanovým aerogelem k přípravě SiO2 aerogelových izolačních dlaždic vyztužených hliníkovými křemičitanovými vlákny, které byly aplikovány na jaderné ponorky. Tepelná vodivost tohoto materiálu je nižší než u běžných žáruvzdorných vláken, které mohou účinně snížit množství tepelně izolačních materiálů a zvýšit použitelný prostor v kabině. Současně může udržet teplotu v kabině a zlepšit pracovní prostředí v kabině. Kromě toho se aerogel používá také v vojenských termálních bateriích, které mohou zlepšit tepelnou životnost vojenských termálních baterií.

Poskytnutí aerogelu křemičitého více funkcí je jedním z hlavních směrů jeho aplikace a výzkumu a vývoje ve vojenské oblasti. Například vojenské ochranné oděvy musí mít nejen funkci tepelné izolace, ale také funkci infračerveného stínění (stealth), aby se lépe přizpůsobily moderním válečným potřebám. Proto, jak realizovat multifunkční design aerogelu křemičitého je důležitou otázkou, kterou je třeba zvážit při jeho aplikaci ve vojenské oblasti.

03 Průmyslové skladovací nádrže a potrubí

V současné době jsou běžnými izolačními materiály pro HVAC a další živé trubky na trhu především organické polymerní pěny, jako je polyuretanová pěna, fenolová pěna, polystyrenová pěna atd. Tyto materiály jsou však hořlavé a mají vysoké riziko požáru. Křemičitý aerogel je bezpečný, lehký, dobrý v tepelné izolaci a má velké výhody v komplexním výkonu.

Studie prokázaly, že tepelná vodivost pokrytého materiálu může být snížena na 0,084W/(m·K), když je aerogelový tepelně izolační kompozitní materiál pokrytý na povrchu kovové trubky. Kromě toho může limitní doba požární odolnosti materiálu potrubí pokrytého aerogelovou kompozitní fólií dosáhnout 70 minut, což účinně zlepšuje bezpečnost potrubí. Při aplikaci izolace chemického potrubí se používá hlavně křemičitá aerogelová kompozitní plst, bez speciálních vodotěsných opatření (hydrofobní rychlost ≥ 99%) a může být stále konstruována v deštivém nebo vlhkém prostředí.

 Aplikace aerogelových plstěných podložek na chemické potrubí

Kromě toho má aerogelová kompozitní plst dobré antisemické a tahové vlastnosti, žádnou hromadění a usazování částic během používání a dlouhou životnost. Při aplikaci tepelně izolační vrstvy přímo zakopaných parních potrubí, za předpokladu splnění maximální přípustné tepelné ztráty, tloušťka tepelně izolační vrstvy požadované křemičitým aerogelovým kompozitním plstí může být ušetřena o 40% až 54% ve srovnání se skleněnými vlákny plsti. Tím se snižuje prostor obsazený přímým pohřbem potrubí. Křemičitá aerogelová plst má vynikající tepelně izolační výkon a má lepší prostor pro hru za podmínek vysoké teploty páry a úzkého a drsného prostoru na místě. Křemičitá aerogelová plstěná rohož byla také úspěšně aplikována na izolaci ropného potrubí a přenosové potrubí CNOOC Hainan LNG. Dlouhodobý stabilní provoz potrubí ověřil jeho vynikající tepelnou izolaci a bezpečnost a stabilitu.

04 Kotel

Využití vynikajícího tepelně izolačního výkonu aerogelu může aplikace na tepelnou izolaci povrchu kotle výrazně snížit teplotu povrchu kotle a tepelné ztráty kotle. Při skutečném použití se matrice vláken a aerogel křemičitý často kombinují k vytvoření aerogelové plstěné rohože, která se pak aplikuje na tělo kotle. Poté, co kotel použije aerogelové kompozitní materiály, může být povrchová teplota těla pece snížena o asi 39°C, tepelná účinnost se zvýší od 79,7% do 81,9%, a úspora energie je 2,2%.

Aplikace aerogelových kompozitů v kotelních systémech

Teplota kotle je obecně vysoká, takže vlákna v křemičitém aerogelovém kompozitním materiálu musí mít vysokou teplotní odolnost. Preferovanějším řešením je použití polykrystalických mullitových vláken odolných vůči vysokým teplotám a aerogelových kompozitů křemičitých.

Aerogel křemičitý je v současné době méně používán v kotlech, hlavně související s jeho výrobními náklady. Na druhou stranu je teplota průmyslových kotlů relativně vysoká a dlouhodobá pracovní teplota aerogelu je obecně nižší než 600°C. Zlepšení odolnosti vůči vysokým teplotám aerogelu křemičitého je budoucím trendem vývoje.

05 Izolace budov a život domácnosti

Křemičitý aerogel je lehký, nízká tepelná vodivost, dlouhá životnost a dobrá hydrofobicita, která může splnit potřeby tepelné izolace, požární izolace, zvukové izolace a hydroizolace ve stavebnictví. V současné době jsou aplikační formy aerogelu křemičitého především aerogelové energeticky úsporné sklo, aerogelové povlaky, aerogelové plstění, aerogelové plechy, aerogelový beton a malta a střešní solární kolektory.

5.1 Energeticky úsporné sklo křemičitého aerogelu

Transparentní obálková struktura je slabým článkem úspory energie budovy, mezi nimiž je sklo hlavním materiálem průhledné obálkové struktury, a její energeticky úsporný výkon je velmi důležitý. Dobrá propustnost světla, tepelná izolace a schopnosti redukce hluku aerogelu křemičitého činí zřejmé výhody v aplikaci architektonické oblasti, zejména architektonického skla.

Aplikace aerogelového skla v civilních budovách

Aplikace aerogelu na sklo může nejen snížit odvod tepla skla, ale také splnit požadavky na osvětlení. Na základě zajištění vzhledu a osvětlení má křemičité aerogelové sklo lepší tepelnou odolnost, silnější radiační odolnost a může být také použito pro úpravu barev a absorpci zvuku, což má významné aplikační výhody. V současné době aplikace křemičitých materiálů v architektonickém skle zahrnuje především aerogelové potažené sklo, hromadné aerogelové sklo a granulované aerogelové sklo.

Aerogelové sklo je stále ve fázi průmyslového výzkumu a vývoje, relevantní technické bariéry jsou vysoké a v praxi existuje jen malý počet inženýrských aplikací. V současné době se stávající výrobci částicového aerogelového skla soustředí hlavně ve vyspělých zemích Evropy a Spojených států. V období 2015 Čína poprvé dosáhla hromadné výroby v Changsha. Aerogelové sklo je však stále v plenkách a před praktickou aplikací je ještě dlouhá cesta.

5.2 Křemičitý aerogelový nátěr

Aerogelový tepelně izolační nátěr je důležitým odvětvím aplikace aerogelu křemičitého. Příprava aerogelového tepelně izolačního nátěru se skládá z následujících kroků: 1. aerogelové částice křemičitého křemičitého, stabilizátor (nebo odpěňovač) a voda se smíchají a mletí, aby vytvořily rovnoměrnou aerogelovou kalu; 2. poté přidejte pryskyřici a dispergent pro další míchání a rozptýlení; ③ Podle skutečných potřeb se míchají různé přísady (jako oxid titaničitý, dálkově infračervený keramický prášek a duté skleněné kuličky apod.) a barviva, aby se získaly křemičité aerogelové povlaky.

Aerogelové povlaky mají nízkou tepelnou vodivost, jednoduchou konstrukci a velký aplikační potenciál. Nicméně stále neexistuje žádná dobrá metoda pro řešení problémů špatné disperze a snadné aglomerace aerogelu křemičitého v keji, které vedou k vysoké tepelné vodivosti nátěrů. problém.

5.3 Křemičitá aerogelová plst

Křemičitá aerogelová plst se vztahuje na tepelně izolační plstěnou rohož připravenou směsí křemičitého aerogelu s výztuží vláken ve fázi solu, následuje želace, stárnutí, sušení a další procesy.

Na jedné straně křemičitá aerogelová plstěná rohož dobře udržuje vynikající tepelně izolační výkon aerogelu a tepelná vodivost může být až 0.0142W/(m·K). Na druhou stranu aerogelová plstěná podložka efektivně řeší obtížný problém aplikace způsobený nízkou mechanickou pevností aerogelu křemičitého.

V současné době obsahuje matrice vláken aerogelových rohoží hlavně anorganická vlákna a organická vlákna. Matice anorganických vláken zahrnuje hlavně skleněná vlákna, hlinitá vlákna a křemenná vlákna. Anorganická vlákna mají vysokou tepelnou stabilitu a nízký koeficient tepelné roztažnosti, ale jejich flexibilita je špatná a vazební síla s aerogelem je slabá, což je snadné způsobit "padání prášku". Organická vlákna, jako jsou polypropylenová vlákna, polyesterová vlákna, aramidová vlákna, celulózová vlákna atd., mohou poskytnout aerogelovým rohožím lepší flexibilitu a pevnost aerogelové vazby, ale organická vlákna mají špatnou tepelnou stabilitu a nejsou vhodná pro praktické aplikace tepelné izolace.

V současné době je část vyztužení vláken aerogelové rohože na trhu vyrobena hlavně ze skleněných vláken jehlou děrované plsti a provozní teplota může obecně dosáhnout 550°C. Tento druh produktu byl úspěšně aplikován na ropné potrubí a městské tepelné potrubí sítě.

5.4 Silica aerogelová betonová malta

Cement a beton jsou nejběžnějšími stavebními materiály. Sloučení aerogelu křemičitého s betonovou maltou může zvýšit poréznost betonové malty a optimalizovat vnitřní cestu přenosu tepla, čímž se zlepší tepelně izolační vlastnosti betonové malty.

5.5 Silica aerogel pro solární kolektory

Aerogel může být aplikován do sběrných desek tepla, zásobníků vody, potrubí a izolačních systémů tepelných kolektorů ohřívačů vody, aby se zlepšila účinnost sběru tepla a snížila tepelné ztráty stávajících solárních ohřívačů vody.

Solární kolektory vybavené aerogelem o tloušťce 20mm mají vynikající tepelně izolační vlastnosti. Ve srovnání s tradičními přijímači, když je teplota vstupního tepla v rozsahu 583-823K a vertikální ozáření je v rozsahu 400-1000W·m, aerogel může snížit tepelnou ztrátu kolektoru o 7.3%-10.1%. Účinnost zařízení může být zvýšena o 0.01%~2.92%.

06 Chladicí kontejner

Chladicí kontejnery musí mít dobrý tepelně izolační výkon, mohou udržovat nízké teplotní prostředí a jsou používány pro přepravu různých položek podléhajících zkáze. Tepelně izolační materiály tradičních chladicích kontejnerů obecně používají materiály, jako jsou skleněná vlákna, azbest, kamenná vlna, polystyrenové pěnové bloky a pěnový polyuretan. Organické materiály mají vynikající tepelně izolační účinky, ale nejsou šetrné k životnímu prostředí. Ačkoli tradiční anorganické materiály jsou netoxické a neškodné, izolační výkon je obecnější.

Použití aerogelu křemičitého k nahrazení tradičních materiálů jako izolačních materiálů pro nízkoteplotní systémy, jako jsou chladicí kontejnery, může zohlednit potřeby ochrany životního prostředí a tepelné izolace. Herchester Company of Germany a Cabot Company of United States provedly mnoho výzkumných prací na aerogelových kompozitních materiálech SiO2 a výrobky, které vyvinuli, byly úspěšně aplikovány na izolační systém chladniček.

07 Nová energetická vozidla

V současné době běžně používané tepelně izolační materiály zahrnují bavlnu ze skleněných vláken, bavlnu hliníkového křemičitanu a kompozitní tepelně izolační desky. Je naléhavá potřeba najít požární a tepelně izolační materiál s vysokou teplotní odolností, dobrou tepelnou izolací a dlouhou životností.

Aerogel křemičitý má významné výhody v tepelné izolaci. Ve srovnání s tradičními tepelně izolačními materiály může pouze 1/5~1/3 tloušťky dosáhnout stejného tepelně izolačního efektu, což šetří více místa pro napájecí baterie. V současné době byl testován a částečně aplikován u velkých výrobců lithium-iontových baterií, jako jsou Ningde Times a Guoxuan Hi-Tech.

Aplikace tepelně izolačních kompozitních materiálů křemičitého aerogelového materiálu v nových energetických vozidlech musí rovněž věnovat pozornost následujícím otázkám:

①Teplota odolná proti teplotě stávajícího aerogelu křemičitého je ≤550°C, ale špičková teplota tepelného úniku lithium-iontových baterií přesahuje 600°C, takže vývoj aerogelových materiálů s vyššími teplotami odolnými proti teplotám je jedním z výzkumných trendů;

②Použití superkritického procesu sušení k přípravě aerogelových kompozitních materiálů je nákladné, takže vývoj relativně nízkonákladového atmosférického sušení je důležitým směrem pro velké aplikace v budoucnosti;

③ Jak vyvážit rozpor mezi aerogelovou tepelnou izolací a uvolňováním tepla baterie při vysokém zatížení je horkým problémem, který je třeba studovat.

V budoucnu se aplikace aerogelu křemičitého v oblasti tepelné izolace může zaměřit na následující aspekty:

(1) Teplota použití aerogelu křemičitého je omezená a nemůže uspokojit rostoucí poptávku po tepelné izolaci ve vysokoteplotních oblastech. Je důležité studovat a zlepšovat tepelnou stabilitu aerogelů při vysokých teplotách.

(2) Aerogely křemíku se aplikují hlavně ve formě kompozitních rohoží a existuje problém "padání prášku". Proto je nutné zkoumat metody, jako jsou modifikace povrchu a optimalizace uspořádání vláken, aby se zvýšila spojovací síla mezi aerogelovými částicemi a vlákny.

(3) Při smíchání aerogelového prášku do tepelně izolačních nátěrů, kompozitních panelů atd., je náchylný k fázovému delaminaci a vede ke snížení výkonnosti tepelně izolačních materiálů. Výzkum na zlepšení rovnoměrné disperze aerogelového prášku v kompozitních materiálech Bezpečnost a stabilita jsou jednou z klíčových otázek, které je třeba řešit při jeho aplikaci.

(4) Superkritický proces sušení s vysokými náklady se používá ve stávajícím aerogelu křemičitého, což omezuje jeho rozsáhlé aplikace. Jedním z budoucích trendů vývoje je studovat využití nízkonákladových metod přípravy, jako je proces sušení atmosférickým tlakem, aby se snížily jeho výrobní náklady. jedna.