Anwendung von Silica Aerogel im Bereich der Wärmedämmung

Dank der vielen ausgezeichneten Eigenschaften von Kieselsäureaerogel wurde es erfolgreich in vielen Bereichen eingesetzt, wie Katalysatorträgermaterialien, Schalldämmmaterialien, Wärmedämmmaterialien, giftige Gasadsorptionsmaterialien und kosmische Staubsammelmaterialien usw. Riesige Anwendungsaussichten. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Energiedichte neuer Energiefahrzeuge, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, ist die Wärmedämmung und Brandschutz von Batterien zu einem der wichtigsten Themen geworden.

01 Luft- und Raumfahrt

Hochleistungswärmedämmstoffe sind eine der Schlüsselkomponenten des Wärmeschutzes für Luft- und Raumfahrtfahrzeuge. Bei Hyperschallfahrzeugen erzeugt die Oberfläche des Körpers unter der Bedingung einer langfristigen aerodynamischen Erwärmung extrem hohe Temperaturen. Um die Hauptstruktur des Flugzeugs und der internen Instrumente zu verhindern Die Ausrüstung wird durch thermische Erosion geschädigt, so dass es sehr wichtig ist, ein Wärmedämmmaterial mit ausgezeichneter umfassender Leistung zu wählen.

Auf der einen Seite muss das Wärmedämmmaterial den Fluss der externen Wärme nach innen des Körpers effektiv blockieren, um den normalen Betrieb der zugehörigen Ausrüstung des Körpers nicht zu beeinträchtigen; Es ist von großer Bedeutung, die Nutzlast zu erhöhen und die Flugdistanz zu erhöhen. Die Dichte des Silikaaerogels ist nur etwa 0.08g/cm3, und die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur ist so niedrig wie 0.016W/(m·K), die die Bedürfnisse der Luft- und Raumfahrt für leichte und effiziente Wärmedämmmaterialien erfüllen kann.

Das geringe Gewicht und die geringe Wärmeleitfähigkeit von Silica-Aerogel machen es zu einem der am meisten betroffenen Materialien in Luft- und Raumfahrtisolierungsmaterialien, aber es gibt immer noch zwei Probleme bei der Anwendung von Silica-Aerogel in der Luft- und Raumfahrt:

① Die mechanische Festigkeit des Aerogels selbst ist niedrig, so dass es normalerweise notwendig ist, Aerogel mit Fasermaterialien in Luft- und Raumfahrtanwendungen zu kombinieren.

②Die Grenzarbeitstemperatur von Silica-Aerogel ist normalerweise kleiner als 600°C, die nicht auf die Wärmeisolierung der Stirnflächen von Überschall- oder Hyperschallflugzeugen angewendet werden kann, die sich schnell entwickeln. Der Anwendungsbereich von Silica Aerogel wird auf höhere Temperaturen ausgedehnt.

02 Bereich der Militärindustrie

Die Nachfrage nach hochleistungsfähigen technischen Produkten in der Militärindustrie ist stärker als im zivilen Bereich. Als wichtiges Mitglied neuer Hochleistungswärmedämmstoffe wurde Silica-Aerogel von der Militärindustrie bevorzugt.

Darüber hinaus verwendete das NASA Ames Research Center der Vereinigten Staaten Aluminiumsilikatfasern als Traggerüst und füllte die Poren im feuerfesten Fasergerüst mit Silikaaerogel, um SiO2 Aerogel Isolierfliesen vorzubereiten, die mit Aluminiumsilikatfasern verstärkt wurden, die auf nukleare U-Boote aufgetragen wurden. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials ist niedriger als die gewöhnlicher feuerfester Fasermaterialien, was die Menge an Wärmedämmmaterialien effektiv reduzieren und den nutzbaren Raum in der Kabine erhöhen kann. Gleichzeitig kann es die Temperatur in der Kabine aufrechterhalten und die Arbeitsumgebung in der Kabine verbessern. Die Wärmedämmfliese wird auch in Waffenleistungsgeräten verwendet, um Wärmestrahlung zu blockieren, was für die Anti-Infrarot-Aufklärung von Waffen und Ausrüstung vorteilhaft ist; Darüber hinaus wird Aerogel auch in militärischen thermischen Batterien verwendet, die die thermische Lebensdauer militärischer thermischer Batterien verbessern können.

Silica-Aerogel mehr Funktionen zu geben, ist eine der Hauptrichtungen seiner Anwendung und Forschung und Entwicklung im militärischen Bereich. Zum Beispiel muss militärische Schutzkleidung nicht nur eine Wärmedämmfunktion haben, sondern auch eine Infrarot-Abschirmfunktion (Stealth) haben, um sich besser an die modernen Kriegsbedürfnisse anzupassen. Daher ist die Realisierung des multifunktionalen Designs von Silica-Aerogel ein wichtiges Thema, das bei seiner Anwendung im militärischen Bereich berücksichtigt werden muss.

03 Industrielle Lagertanks und Rohrleitungen

Derzeit sind die üblichen Isoliermaterialien für HLK und andere lebende Rohre auf dem Markt hauptsächlich organische Polymerschäume, wie Polyurethanschaum, Phenolschaum, Polystyrolschaum usw. Diese Materialien sind jedoch brennbar und haben ein hohes Brandrisiko. Silica-Aerogel ist sicher, leicht im Gewicht, gut in der Wärmeisolierung Leistung und hat große Vorteile in der umfassenden Leistung.

Studien haben gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit des abgedeckten Materials auf 0,084W/(m·K) reduziert werden kann, wenn das Aerogel-Wärmedämmverbundfilmmaterial auf der Oberfläche des Metallrohrs abgedeckt wird. Darüber hinaus kann die Feuerbeständigkeitsbegrenzungszeit des mit der Aerogel-Verbundfolie bedeckten Rohrmaterials 70-Minuten erreichen, was die Sicherheit der Rohrleitung effektiv verbessert. Bei der Anwendung der chemischen Rohrleitungsisolierung wird Silica-Aerogel-Verbundfilz hauptsächlich verwendet, ohne spezielle wasserdichte Maßnahmen (hydrophobe Rate ≥ 99%) und es kann immer noch in regnerischen oder feuchten Umgebungen gebaut werden.

 Anwendung von Aerogel Filz Pads auf chemischen Pipelines

Darüber hinaus hat der Aerogel-Verbundfilz gute seismische und zugfeste Eigenschaften, keine Partikelansammlung und -absetzung während des Gebrauchs und eine lange Lebensdauer. Bei der Wärmedämmschichtanwendung von direkt vergrabenen Dampfrohrleitungen unter der Voraussetzung, den maximal zulässigen Wärmeverlust zu erfüllen, kann die Dicke der Wärmedämmschicht, die durch den Silica-Aerogel-Verbundfilz benötigt wird, um 40% bis 54% im Vergleich zum Glasfaserfilz eingespart werden. Dadurch wird der Platz reduziert, der durch direkte Begräbnisse von Rohrleitungen belegt wird. Silica Aerogel Filz hat eine ausgezeichnete Wärmedämmleistung und hat einen besseren Platz, um unter den Bedingungen der hohen Dampftemperatur und des engen und rauen Platzes zu spielen. Die Silica-Aerogel-Filzmatte wurde auch erfolgreich auf Ölrohrisolierung und CNOOC Hainan LNG-Übertragungsleitung angewendet. Der langfristige stabile Betrieb der Pipeline hat seine hervorragende Wärmedämmung sowie Sicherheit und Stabilität bestätigt.

04 Kessel

Unter Ausnutzung der ausgezeichneten Wärmedämmleistung von Aerogel kann die Anwendung auf Wärmedämmung der Kesseloberfläche die Kesseloberflächentemperatur und den Kesselwärmeverlust erheblich reduzieren. Im eigentlichen Gebrauch werden Fasermatrix und Silica-Aerogel häufig zu einer Aerogel-Filzmatte kombiniert, die dann auf den Kesselkörper aufgebracht wird. Nachdem der Kessel Aerogel-Verbundwerkstoffe verwendet, kann die Oberflächentemperatur des Ofenkörpers um etwa 39°C reduziert werden, die thermische Effizienz wird von 79,7% auf 81,9% erhöht und die Energieeinsparung beträgt 2,2%.

Anwendung von Aerogel-Verbundwerkstoffen in Kesselanlagen

Die Temperatur des Kessels ist im Allgemeinen hoch, so dass die Fasern im Silica-Aerogel-Verbundmaterial eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen müssen. Es ist eine bevorzugtere Lösung, hochtemperaturbeständige polykristalline Mullitfasern und Silica-Aerogel-Verbundwerkstoffe zu verwenden.

Silica-Aerogel wird derzeit weniger in Kesseln verwendet, hauptsächlich aufgrund seiner Herstellungskosten. Auf der anderen Seite ist die Temperatur von Industriekesseln relativ hoch, und die Langzeitarbeitstemperaturgrenze von Aerogel ist im Allgemeinen niedriger als 600°C. Die Verbesserung der Hochtemperaturbeständigkeit von Silica Aerogel ist der zukünftige Entwicklungstrend.

05 Gebäudedämmung und Wohnen

Silica-Aerogel ist leicht, niedrige Wärmeleitfähigkeit, lange Lebensdauer und gute Hydrophobie, die die Anforderungen an Wärmedämmung, Feuerschutz, Schallschutz und Abdichtung im Baubereich erfüllen kann. Derzeit umfassen die Anwendungsformen von Silica-Aerogel hauptsächlich Aerogel-Energiesparglas, Aerogel-Beschichtung, Aerogel-Filz-Pad, Aerogel-Blatt, Aerogel-Beton und Mörtel und Dach-Solarkollektoren.

5.1 Silica Aerogel Energiesparglas

Die transparente Hüllstruktur ist das schwache Glied der Gebäudeenergieeinsparung, unter denen Glas das Hauptmaterial der transparenten Hüllstruktur ist, und seine energiesparende Leistung ist sehr wichtig. Die gute Lichtdurchlässigkeit, Wärmedämmung und Geräuschreduzierung Fähigkeiten von Silica Aerogel machen es offensichtliche Vorteile in der Anwendung von Architekturbereich, insbesondere Architekturglas.

Anwendung von Aerogelglas in zivilen Gebäuden

Das Auftragen von Aerogel auf Glas kann nicht nur die Wärmeableitung des Glases reduzieren, sondern auch die Beleuchtungsanforderungen erfüllen. Auf der Grundlage der Sicherstellung des Aussehens und der Beleuchtung hat Silica-Aerogel-Glas eine bessere Hitzebeständigkeit, stärkere Strahlungsbeständigkeit und kann auch für Farbanpassung und Schallabsorption verwendet werden, was erhebliche Anwendungsvorteile hat. Derzeit umfasst die Anwendung von Kieselsäurematerialien in Architekturglas hauptsächlich aerogelbeschichtetes Glas, Aerogelglas und granulares Aerogelglas.

Aerogelglas befindet sich noch im Stadium der industriellen Forschung und Entwicklung, die relevanten technischen Barrieren sind hoch und es gibt nur wenige technische Anwendungen in der Praxis. Derzeit konzentrieren sich die bestehenden Hersteller von Partikelaerogel-gefülltem Glas hauptsächlich auf Industrieländer in Europa und den USA. Im 2015 erreichte China erstmals eine Massenproduktion in Changsha. Aerogelglas steckt jedoch noch in den Kinderschuhen und bis zur praktischen Anwendung ist noch ein langer Weg zu gehen.

5.2 Silica Aerogel Beschichtung

Aerogel-Wärmedämmbeschichtung ist ein wichtiger Zweig der Silica-Aerogel-Anwendung. Die Herstellung der Aerogel-Wärmedämmbeschichtung umfasst die folgenden Schritte: 1. Kieselsäureaerogelpartikel, Stabilisator (oder Entschäumer) und Wasser werden gemischt und gemahlen, um eine gleichmäßige Aerogelschlamm zu bilden; 2. dann Harz und Dispergiermittel hinzufügen, um weiter zu rühren und zu dispergieren; ③ Je nach Bedarf werden verschiedene Additive (wie Titandioxid, ferninfrarotes Keramikpulver und Hohlglasperlen usw.) und Farbstoffe gemischt, um Silica-Aerogel-Beschichtungen zu erhalten.

Aerogel-Beschichtungen haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einfache Konstruktion und großes Anwendungspotenzial. Es gibt jedoch immer noch keine gute Methode, um die Probleme der schlechten Dispersion und der einfachen Agglomeration von Kieselsäureaerogel in Schlamm zu lösen, die zu einer hohen Wärmeleitfähigkeit von Beschichtungen führen. Problem.

5.3 Silica Aerogel Filz

Silica-Aerogelfilz bezieht sich auf die Wärmeisolationsfilzmatte, die durch Compoundierung von Silica-Aerogel mit Faserverstärkung in der Sol-Stufe hergestellt wird, gefolgt von Gelation, Alterung, Trocknung und anderen Prozessen.

Auf der einen Seite behält die Silica Aerogel Filzmatte gut die ausgezeichnete Wärmedämmleistung von Aerogel, und die Wärmeleitfähigkeit kann so niedrig sein wie 0.0142W/(m·K). Auf der anderen Seite löst das Aerogel Filz Pad effektiv das schwierige Anwendungsproblem, das durch die geringe mechanische Festigkeit von Silica Aerogel verursacht wird.

Derzeit umfasst die Fasermatrix von Aerogelmatten hauptsächlich anorganische Fasern und organische Fasern. Die anorganische Fasermatrix umfasst hauptsächlich Glasfaser, Aluminiumoxidfaser und Quarzfaser. Anorganische Fasern haben eine hohe thermische Stabilität und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, aber ihre Flexibilität ist schlecht und die Bindungskraft mit Aerogel ist schwach, was leicht "Pulverfallen" verursachen kann. Organische Fasern, wie Polypropylenfasern, Polyesterfasern, Aramidfasern, Zellulosefasern usw., können Aerogelmatten eine bessere Flexibilität und Aerogel-Haftfestigkeit verleihen, aber organische Fasern haben eine schlechte Wärmestabilität und sind nicht für praktische Wärmedämmanwendungen geeignet.

Derzeit besteht der Faserverstärkungsteil der Aerogelmatte auf dem Markt hauptsächlich aus Glasfaser-Nadel-gestanztem Filz, und die Betriebstemperatur kann im Allgemeinen 550°C erreichen. Diese Art von Produkt wurde erfolgreich auf Ölpipelines und städtische Wärmerohrnetze angewendet.

5.4 Silica Aerogel Betonmörtel

Zement und Beton sind die häufigsten Baumaterialien. Die Verbindung von Silica-Aerogel mit Betonmörtel kann die Porosität von Betonmörtel erhöhen und den internen Wärmeübertragungsweg optimieren, wodurch die Wärmedämmleistung von Betonmörtel verbessert wird.

5.5 Silica Aerogel für Solarkollektoren

Aerogel kann in Wärmesammelplatten, Wasserspeichertanks, Rohren und Wärmekollektorisolationssystemen von Warmwasserbereitern angewendet werden, um die Wärmesammeleffizienz zu verbessern und den Wärmeverlust bestehender Solarwarmwasserbereiter zu reduzieren.

Solarkollektoren mit Aerogel mit einer Dicke von 20mm haben ausgezeichnete Wärmedämmeigenschaften. Verglichen mit traditionellen Empfängern, wenn die Einlasswärmeflusstemperatur im Bereich von 583-823K ist und die vertikale Bestrahlungsstärke im Bereich von 400-1000W·m ist, kann das Aerogel den Wärmeverlust des Kollektors um 7.3%-10.1% verringern. Die Geräteeffizienz kann um 0.01%~2.92% erhöht werden

06 Kühlbehälter

Kühlcontainer müssen eine gute Wärmedämmleistung haben, können eine niedrige Temperaturumgebung aufrechterhalten und werden für den Transport verschiedener verderblicher Gegenstände verwendet. Die Wärmedämmmaterialien traditioneller Kühlbehälter verwenden im Allgemeinen Materialien wie Glasfaser, Asbest, Steinwolle, Polystyrolschaumblöcke und geschäumtes Polyurethan. Organische Materialien haben eine hervorragende Wärmedämmwirkung, sind aber nicht umweltfreundlich. Obwohl traditionelle anorganische Materialien ungiftig und harmlos sind, ist die Isolationsleistung allgemeiner.

Die Verwendung von Silica-Aerogel, um herkömmliche Materialien als Dämmstoffe für Niedrigtemperatursysteme wie Kühlcontainer zu ersetzen, kann den Anforderungen an Umweltschutz und Wärmedämmleistung Rechnung tragen. Herchester Company of Germany und Cabot Company of the United States haben viele Forschungsarbeiten an SiO2 Aerogel-Verbundwerkstoffen durchgeführt, und die von ihnen entwickelten Produkte wurden erfolgreich auf das Isoliersystem von Kühlschränken angewendet.

07 Neue Energiefahrzeuge

Derzeit umfassen die allgemein verwendeten Wärmedämmmaterialien Glasfaserbaumwolle, Aluminiumsilikatbaumwolle und Verbundwärmedämmplatten. Es besteht ein dringender Bedarf, ein feuerfestes und wärmedämmendes Material mit hoher Temperaturbeständigkeit, guter Wärmedämmleistung und langer Lebensdauer zu finden.

Silica Aerogel hat erhebliche Vorteile in der Wärmedämmleistung. Verglichen mit traditionellen Wärmedämmmaterialien kann nur 1/5~1/3 der Dicke den gleichen Wärmedämmeffekt erzielen und mehr Platz für Energiebatterien sparen. Derzeit wurde es getestet und teilweise in großen Lithium-Ionen-Batterieherstellern wie Ningde Times und Guoxuan Hi-Tech angewendet.

Bei der Anwendung von Silica-Aerogel-Wärmedämmverbundwerkstoffen in neuen Energiefahrzeugen müssen auch folgende Aspekte beachtet werden:

①Die hitzebeständige Temperatur des vorhandenen Silica-Aerogels ist ≤550°C, aber die höchste thermische Lauftemperatur von Lithium-Ionen-Batterien überschreitet 600°C, so dass die Entwicklung von Aerogelmaterialien mit höheren hitzebeständigen Temperaturen einer der Forschungstrends ist;

②Die Verwendung eines überkritischen Trocknungsprozesses zur Vorbereitung von Aerogel-Verbundwerkstoffen ist kostspielig, so dass die Entwicklung eines relativ kostengünstigen atmosphärischen Trocknungsprozesses eine wichtige Richtung für die Großanwendung in der Zukunft ist;

③ Wie man den Widerspruch zwischen Aerogel-Wärmeisolierung und Batteriewärmeabgabe unter hoher Last ausgleicht, ist ein heißes Problem, das untersucht werden muss.

Die Anwendung von Silica Aerogel im Bereich der Wärmedämmung kann sich zukünftig auf folgende Aspekte konzentrieren:

(1) Die Nutzungstemperatur von Kieselsäureaerogel ist begrenzt, und es kann die wachsende Nachfrage nach Wärmeisolierung in Hochtemperaturbereichen nicht erfüllen. Es ist wichtig, die thermische Stabilität von Aerogelen bei hohen Temperaturen zu untersuchen und zu verbessern.

(2) Silica-Aerogele werden hauptsächlich in Form von Verbundmatten angewendet, und es gibt ein Problem des "Pulvertropfens". Daher ist es notwendig, Methoden wie Oberflächenmodifikation und Faseranordnungsoptimierung zu erforschen, um die Bindungskraft zwischen Aerogelpartikeln und Fasern zu erhöhen.

(3) Wenn Aerogelpulver in Wärmedämmbeschichtungen, Verbundplatten usw. gemischt wird, ist es anfällig für Phasendelamination und führt zu einer Abnahme der Leistung von Wärmedämmmaterialien. Forschung zur Verbesserung der gleichmäßigen Dispersion von Aerogelpulver in Verbundwerkstoffen Sicherheit und Stabilität sind eines der Schlüsselfragen, die bei seiner Anwendung gelöst werden müssen.

(4) Der überkritische Trocknungsprozess mit hohen Kosten wird im bestehenden Silica-Aerogel verwendet, was seine großflächige Anwendung begrenzt. Es ist einer der zukünftigen Entwicklungstrends, den Einsatz kostengünstiger Präparationsmethoden wie atmosphärischer Drucktrocknungsprozess zu untersuchen, um seine Produktionskosten zu senken. eins.