이산화규소 가스 겔의 단열 분야에서의 응용

이산화규소 가스 겔은 많은 우수한 성능을 가지고 있기 때문에, 그것은 이미 촉매 캐리어 재료, 방음 재료, 단열 재료, 유독가스 흡착 재료와 우주 먼지 수집 재료 등 여러 분야에 성공적으로 응용되어 거대한 응용 전망을 가지고 있다.신에너지자동차 특히 리튬이온전지의 에너지밀도가 부단히 높아짐에 따라 전지의 단열방화는 가장 중요한 과제의 하나로 되였다.

01 항공우주

고성능 단열재는 우주 비행체의 열 보호의 핵심 부품 중의 하나다.극초음속 비행체의 경우, 장기 공기압 가열의 조건에서 기체 표면에 매우 높은 온도가 발생한다.비행기의 주체구조와 내부기기설비가 열침식의 위해를 받지 않도록 종합성능이 우수한 단열재를 선택하는것은 매우 중요하다.

한편으로 단열재는 외부 열이 신체 내부로 흘러가는 것을 효과적으로 막아 신체 관련 설비의 정상적인 운행에 영향을 주지 않도록 해야 한다;유효 하중을 늘리고 비행 거리를 늘리는 것은 중요한 의의가 있다.이산화규소 가스 겔의 밀도는 약 0.08g/cm3에 불과하며 실온에서의 열전도율은 0.016W/(m·K)로 낮아 경질 고효율 단열재에 대한 항공우주의 수요를 충족시킬 수 있다.

이산화규소가스겔은 무게가 가볍고 열전도계수가 낮아 항공우주단열재에서 가장 주목받는 재료중의 하나이지만 이산화규소가스겔이 항공우주에서의 응용에는 여전히 두가지 문제가 존재한다.

① 에어로겔 자체의 기계적 강도는 비교적 낮기 때문에 항공 우주 응용에서 일반적으로 에어로겔과 섬유 재료를 결합시켜야 한다

② 이산화규소 가스 겔의 극한 작업 온도는 일반적으로 600 ° C보다 낮아 빠르게 발전하는 초음속 또는 극초음속 항공기 단면의 단열에 적용할 수 없다.앞으로 일체화를 위한 다상융합과 미시적 구조 설계를 고려해야 한다. 이산화규소 가스 겔의 적용 온도 범위는 더 높은 온도로 확대될 것이다.

02 방산분야

방산업계는 고성능 기술 제품에 대한 수요가 민간 분야보다 높다.이산화규소가스겔은 신형의 고성능단열재의 중요한 구성부분으로서 줄곧 군수공업계의 환영을 받아왔다.

또한 미국 항공우주국 에임스 연구센터는 규산 알루미늄 섬유를 지지 프레임으로 사용하고 내화 섬유 프레임의 틈새를 이산화 실리콘 가스 겔로 채워 핵잠수함, 증기 동력 미사일 구축함의 원자로에 응용된 규산 알루미늄 섬유가 강화된 SiO2 가스 겔 단열 벽돌을 제작했다.이 재료의 열전도 계수는 일반 내화 섬유 재료보다 낮아 단열재의 사용량을 효과적으로 줄이고 기내의 사용 가능한 공간을 늘릴 수 있다.동시에 기내의 온도를 유지하고 기내의 작업 환경을 개선할 수 있습니다.단열기와는 또 무기동력장치에 사용되여 열복사를 막아 무기장비의 반적외선정찰에 유리하다.또한 에어로겔은 군용 열전지에도 사용되어 군용 열전지의 열수명을 높일 수 있다.

이산화규소가스겔에 더욱 많은 기능을 부여하는것은 군사분야에서 응용하고 연구개발하는 주요방향의 하나이다.예를 들어 군용 방호복은 단열 기능뿐만 아니라 현대 전쟁 수요에 더 잘 적응하기 위해 적외선 차단 기능(스텔스)이 필요하다.그러므로 어떻게 이산화규소가스겔의 다기능설계를 실현할것인가 하는것은 군사분야에서의 응용에서 고려해야 할 중요한 문제이다.

03 산업용 탱크 및 파이프

현재 시장에서 흔히 볼 수 있는 난방용 에어컨 등 생활배관 보온재는 주로 폴리우레탄폼, 포름알데히드폼, 폴리스티렌폼 등 유기중합물 거품이다. 그러나 이들 재료는 인화성이 강해 화재 위험이 높다.이산화규소가스겔은 안전하고 무게가 가볍고 단열성능이 좋아 종합성능면에서 아주 큰 우세를 갖고있다.

연구에 따르면 에어로겔 단열 복합막 재료가 금속관 표면을 덮을 때 덮개 재료의 열전도율은 0.084W/(m·K)로 낮아질 수 있다.또한 에어로겔 복합막으로 덮인 파이프 재료의 내화 한계 시간은 70분에 달해 파이프의 안전성을 높이는 데 효과적이다.화학관 보온의 응용에서 주로 이산화규소 가스 겔 복합 펠트를 사용하며, 특수 방수 조치 (소수율 ≥ 99%) 가 없으며, 비 오는 날이나 습한 환경에서도 시공할 수 있다.

 가스 겔 펠트 패드의 화학 파이프에서의 응용

이밖에 에어겔복합펠트는 내진과 신축성이 량호하여 사용과정에 립자가 축적되고 침강하지 않아 사용수명이 길다.증기 파이프를 직매하는 보온층 응용에서 최대 허용열 손실을 만족시키는 전제하에 실리콘 가스 겔 복합 펠트에 필요한 보온층 두께는 유리 섬유 펠트에 비해 40~54% 절약할 수 있다.따라서 파이프 직매장이 차지하는 공간이 줄어듭니다.이산화규소 가스 겔 펠트는 우수한 단열 성능을 가지고 있으며, 증기 온도가 높고 장소 공간이 좁고 열악한 조건에서 더욱 잘 발휘할 수 있는 공간이 있다.이산화규소가스 겔펠트펠트도 이미 석유도관의 보온과 중해유 해남 액화천연가스수송도관에 성공적으로 응용되였다.파이프의 장기간 안정적인 운행은 양호한 보온 성능과 안전 안정 성능을 검증했다.

04 보일러

에어로겔의 우수한 단열 성능을 이용하여 보일러 표면 단열에 응용하면 보일러 표면 온도와 보일러 열 손실을 크게 줄일 수 있다.실제 사용에서 섬유기질과 이산화규소가스겔은 늘 결합하여 가스겔펠트매트를 형성한후 이를 보일러본체에 응용한다.보일러가 에어로졸 복합재료를 채택하면 보일러 표면 온도를 약 39 ° C 낮출 수 있으며 열효율은 79.7% 에서 81.9% 로 2.2% 절약할 수 있다.

에어로졸 복합재료의 보일러 시스템에서의 응용

보일러의 온도는 보통 비교적 높기 때문에 이산화규소 가스 겔 복합재료 중의 섬유는 반드시 내고온성을 가져야 한다.고온에 견디는 다결정 모래석 섬유와 이산화규소 가스 겔 복합재료를 사용하는 것이 더 좋은 솔루션이다.

이산화규소가스겔은 현재 보일러에서의 사용이 비교적 적으며 주로 제조원가와 관련된다.다른 한편으로 공업보일러의 온도는 상대적으로 높으며 가스겔의 장기작업온도극한은 일반적으로 600 ° C보다 낮다.이산화규소 가스 겔의 내고온 성능을 높이는 것이 앞으로의 발전 추세이다.

05 건축 보온과 가정 생활

이산화규소가스겔은 무게가 가볍고 열전도계수가 낮으며 사용수명이 길고 소수성이 좋아 건축령역의 단열, 방화, 방음, 방수의 수요를 만족시킬수 있다.현재 이산화규소 에어로겔의 응용 형식은 주로 에어로겔 에너지 절약 유리, 에어로겔 코팅, 에어로겔 펠트 패드, 에어로겔 조각재, 에어로겔 콘크리트와 모르타르 및 지붕 태양열 수집기를 포함한다.

5.1 실리콘 가스 겔 에너지 절약 유리

투명 보호 구조는 건축 에너지 절약의 취약한 부분인데 그 중에서 유리는 투명 보호 구조의 주요 재료로 그 에너지 절약 성능이 매우 중요하다.이산화규소 가스 겔의 양호한 투광, 단열과 소음 감소 능력은 건축 분야, 특히 건축 유리의 응용에서 뚜렷한 장점을 가진다.

에어로졸 유리의 민간 건축에서의 응용

에어로겔을 유리에 적용하면 유리의 발열을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 조명 요구도 만족시킬 수 있다.외관과 채광을 보장하는 기초에서 이산화규소가스겔유리는 더욱 좋은 내열성, 더욱 강한 복사방지성을 갖고있으며 색채조절과 흡음에도 사용할수 있어 뚜렷한 응용우세를 갖고있다.현재 이산화규소 재료의 건축 유리에서의 응용은 주로 에어로졸 코팅 유리, 큰 에어로졸 유리와 입자 에어로졸 충전 유리를 포함한다.

에어로겔유리는 여전히 공업연구개발단계에 처해있으며 관련 기술장벽이 비교적 높아 실천과정에 소량의 공정응용밖에 없다.현재 과립가스 겔 충전 유리의 기존 제조업체는 주로 유럽과 미국 선진국에 집중되어 있다.2015년, 중국은 처음으로 장사에서 량산을 실현했다.그러나 에어로겔유리는 여전히 걸음마 단계에 있으며 실제 응용까지는 아직 갈 길이 멀다.

5.2 이산화규소 가스 겔 코팅

에어로졸 단열 도료는 이산화규소 에어로졸 응용의 중요한 부분이다.에어로졸 단열 도료의 제조는 다음과 같은 절차를 포함한다: 1.이산화규소 가스 겔 입자, 안정제 (또는 소포제) 와 물을 혼합하여 연마하여 균일한 가스 겔 펄프를 형성한다;2. 그리고 수지와 분산제를 넣고 더 섞어 분산시킨다. ③실제 필요에 따라 이산화티타늄, 원적외선 세라믹 분말, 중공 유리 구슬 등 각종 첨가제를 염색약과 혼합하여 이산화규소 가스 겔 코팅으로 만든다.

에어로겔 코팅층은 열전도 계수가 낮고 구조가 간단하며 응용 잠재력이 크다.그러나 아직 이산화규소 가스 겔이 펄프에서 분산성이 떨어지고 쉽게 뭉쳐 코팅층의 열전도 계수가 높은 문제를 해결할 수 있는 좋은 방법은 없다.문제

5.3 이산화규소 가스 겔 펠트

이산화규소 가스 겔 펠트는 이산화규소 가스 겔과 섬유 강화제를 용접단계에서 복합한 뒤 겔화, 노화, 건조 등의 공정을 거쳐 제조한 단열 펠트를 말한다.

한편, 이산화규소 에어로겔 펠트 패드는 에어로겔의 우수한 단열 성능을 잘 보존해 열전도 계수가 0.0142W/(m·K)로 낮다. 한편, 에어로겔 펠트 패드는 이산화규소 에어로겔의 기계적 강도 저하에 따른 응용 난제를 효과적으로 해결했다.

현재 에어 젤 패드의 섬유 기질은 주로 무기 섬유와 유기 섬유를 포함한다.무기섬유의 기체는 주로 유리섬유, 산화알루미늄섬유와 석영섬유를 포함한다.무기섬유는 비교적 높은 열안정성과 비교적 낮은 열팽창계수를 갖고있지만 그 유연성이 비교적 낮고 에어로겔과의 결합력이 비교적 약하여"탈분"을 일으키기 쉽다.폴리프로필렌섬유, 폴리에스테르섬유, 방향성섬유, 섬유소섬유 등 유기섬유는 에어로겔패드에 더욱 좋은 유연성과 에어로겔의 결합강도를 부여할수 있지만 유기섬유의 열안정성이 비교적 낮아 실제의 단열응용에 적합하지 않다.

현재 시장의 에어 겔 펠트 섬유 강화 부분은 주로 유리 섬유 침술 펠트로 만들어졌으며 사용 온도는 일반적으로 550 ° C에 달합니다.이 제품은 이미 석유 파이프라인과 도시 열 파이프라인에 성공적으로 응용되었다.

5.4 실리콘 가스 겔 콘크리트 모르타르

시멘트와 콘크리트는 가장 흔히 볼 수 있는 건축 공사 재료이다.이산화규소 가스 겔과 콘크리트 모르타르를 복합하면 콘크리트 모르타르의 공극률을 증가시키고 내부 전열 경로를 최적화하여 콘크리트 모르타르의 단열 성능을 향상시킬 수 있다.

5.5 태양열 수집기용 이산화규소 가스 겔

에어로겔은 온수기의 집열판, 물탱크, 파이프와 집열기 단열 시스템에 적용해 기존 태양열 온수기의 열 수집 효율을 높이고 열 손실을 줄일 수 있다.

두께 20mm의 에어로겔을 장착한 태양광 수집기구는 우수한 단열 성능을 자랑한다.기존 수신기에 비해 입구 열흐름 온도가 583-823K 범위, 수직 투사도가 400-1000W·m 범위일 때 에어로겔은 수집기의 열 손실을 7.3%-10.1% 줄이고 부품 효율을 0.01%~2.92% 높일 수 있다.

06 냉장 컨테이너

냉장 컨테이너는 저온 환경을 유지하고 각종 부패하기 쉬운 물품을 운송하는 데 사용할 수 있는 단열 성능이 뛰어나야 한다.전통적인 냉장 컨테이너의 단열재는 일반적으로 유리섬유, 석면, 암면, 폴리스티렌 폼 블록, 발포 폴리우레탄 등의 재료를 사용한다.유기 재료는 단열 효과가 뛰어나지만 친환경적이지 않다.전통적인 무기 재료는 무독하고 무해하지만 절연 성능은 비교적 보통이다.

기존 소재 대신 이산화규소 에어로겔을 냉장 컨테이너 등 저온 시스템의 단열재로 사용해 친환경과 단열 성능의 수요를 모두 챙길 수 있다.독일 헤체스터사와 미국 카보트사는 SiO2 가스겔복합재료에 대해 대량의 연구사업을 진행했으며 그들이 개발한 제품은 이미 랭장고의 단열시스템에 성공적으로 응용되였다.

07 신에너지자동차

현재 상용하는 보온재는 유리섬유면, 규산알루미늄면, 복합보온판 등이다.고온에 견디고 단열 성능이 좋으며 사용 수명이 긴 방화 단열재를 찾는 것이 절실하다.

이산화규소 가스 겔은 단열 성능 면에서 현저한 우세를 가지고 있다.기존의 단열재에 비해 두께의 1/5~1/3만 같은 단열 효과를 낼 수 있어 동력전지에 더 많은 공간을 절약할 수 있다.현재 닝더시대, 궈쉬안하이테크 등 대형 리튬이온전지 제조업체에서 테스트를 거쳐 부분적으로 응용되고 있다.

이산화규소가스 겔단열복합재료의 신에너지자동차에서의 응용은 또 다음과 같은 문제에 주의를 돌려야 한다.

① 기존 이산화규소 에어로겔의 내열 온도는 ≤550°C이지만 리튬이온전지의 피크 열 통제 불능 온도는 600°C를 초과하기 때문에 내열 온도가 더 높은 에어로겔 소재를 개발하는 것이 연구 추세 중 하나이다.

② 초임계 건조 공정으로 에어로졸 복합재료를 제조하는 것은 비용이 많이 들기 때문에 상대적으로 저비용의 상압 건조 공정을 개발하는 것은 미래 대규모 응용의 중요한 방향이다.

③ 에어로겔의 단열과 고부하 하전지의 방열 사이의 모순을 어떻게 균형잡을것인가는 시급히 연구해야 할 열점문제이다.

앞으로 이산화규소가스겔의 단열분야에서의 응용은 다음과 같은 몇가지 방면에 집중될수 있다.

(1) 이산화규소가스겔의 사용온도가 제한되여있어 고온지역의 날로 늘어나는 단열수요를 만족시킬수 없다.에어로겔의 고온에서의 열 안정성을 연구하고 향상시키는 것은 중요한 의의가 있다.

(2) 이산화규소가스겔은 주로 복합매트의 형식으로 응용되여"탈분"의 문제가 존재한다.따라서 에어로졸 입자와 섬유 간의 결합력을 강화하기 위해 표면 변성과 섬유 배열 최적화 등의 방법을 모색할 필요가 있다.

(3) 에어로겔 가루가 단열 도료, 복합재 패널 등에 혼합될 때 상층화가 발생하기 쉬워 단열재 성능이 떨어진다.복합재료에서의 에어로겔분말의 균등한 분산성을 제고하는 연구안전성과 안정성은 그 응용에서 해결해야 할 관건적인 문제의 하나이다.

(4) 기존의 이산화규소가스겔은 초임계건조공법을 채용하여 원가가 높아 그 대규모응용을 제한하였다.연구는 상압 건조 등 저비용 제조 방법을 채택하여 그 생산 원가를 낮추는 것이 미래의 발전 추세 중의 하나이다.하나