Toepassing van silica aerogel op het gebied van thermische isolatie

Dankzij de vele uitstekende eigenschappen van silica aerogel, is het met succes toegepast op vele gebieden, zoals katalysatordragermaterialen, geluidsisolatiematerialen, thermische isolatiematerialen, giftige gasadsorptiematerialen en kosmische stofverzamelingsmaterialen, enz. Enorme toepassingsperspectieven. Met de continue verbetering van de energiedichtheid van nieuwe energievoertuigen, met name lithium-ion batterijen, is de hitteisolatie en brandpreventie van batterijen een van de belangrijkste onderwerpen geworden.

01 Luchtvaart

Hoogwaardige thermische isolatiematerialen zijn een van de belangrijkste componenten van thermische bescherming voor lucht- en ruimtevaartvoertuigen. Voor hypersonische voertuigen, onder de voorwaarde van aerodynamische verwarming op lange termijn, zal het oppervlak van het lichaam extreem hoge temperaturen genereren. Om de hoofdstructuur van het vliegtuig en interne instrumenten te voorkomen De apparatuur wordt beschadigd door thermische erosie, dus het is erg belangrijk om een thermisch isolatiemateriaal met uitstekende uitgebreide prestaties te kiezen.

Enerzijds moet het warmteisolatiemateriaal de stroom van externe warmte naar de binnenkant van het lichaam effectief blokkeren, om de normale werking van de gerelateerde apparatuur van het lichaam niet te beïnvloeden; Het is van groot belang om de lading te verhogen en de vliegafstand te vergroten. De dichtheid van silica aerogel is slechts ongeveer 0.08g/cm3, en de thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur is zo laag als 0.016W/(m·K), die aan de behoeften van lucht- en ruimtevaart voor lichtgewicht en efficiënte thermische isolatiematerialen kan voldoen.

Het lichte gewicht en de lage thermische geleidbaarheid van silica aerogel maken het een van de meest betrokken materialen in lucht- en ruimtevaartisolatiematerialen, maar er zijn nog steeds twee problemen bij de toepassing van silica aerogel in de lucht- en ruimtevaart:

① De mechanische sterkte van aerogel zelf is laag, dus het is meestal noodzakelijk om aerogel te combineren met vezelmaterialen in lucht- en ruimtevaarttoepassingen.  

②De grenswerktemperatuur van silica aerogel is gewoonlijk minder dan 600°C, die niet kan worden toegepast op de hitteisolatie van de eindvlakken van supersonische of hypersonische vliegtuigen die zich snel ontwikkelen. In de toekomst moet meerfasige fusie en microstructuur ontwerp worden overwogen om te integreren Het toepassingstemperatuurbereik van silica aerogel wordt uitgebreid tot hogere temperatuur.

02 Militaire industrie

De vraag naar hoogwaardige technische producten in de militaire industrie is sterker dan die in de civiele sector. Als belangrijk lid van nieuwe hoogwaardige thermische isolatiematerialen, is silica aerogel begunstigd door de militaire industrie.

Bovendien gebruikte het NASA Ames Research Center van de Verenigde Staten aluminiumsilicaatvezels als ondersteunend kader, en vulde de poriën in het vuurvaste vezelkader met silica aerogel om SiO2 aerogel isolatie tegels versterkt met aluminiumsilicaatvezels te bereiden, die zijn toegepast op nucleaire onderzeeërboten De kernreactor van een stoomaangedreven raketvernietiger. De thermische geleidbaarheid van dit materiaal is lager dan die van gewone vuurvaste vezelmaterialen, die effectief de hoeveelheid thermische isolatiematerialen kan verminderen en de bruikbare ruimte in de cabine kan verhogen. Tegelijkertijd kan het de temperatuur in de cabine handhaven en de werkomgeving in de cabine verbeteren De thermische isolatietegel wordt ook gebruikt in wapenmachtsapparaten om warmtestraling te blokkeren, die gunstig is voor de anti-infrarode verkenning van wapens en apparatuur; Bovendien wordt aerogel ook gebruikt in militaire thermische batterijen, die de thermische levensduur van militaire thermische batterijen kunnen verbeteren.

Het geven van silica aerogel meer functies is een van de belangrijkste richtingen van de toepassing en onderzoek en ontwikkeling op militair gebied. Bijvoorbeeld, militaire beschermende kleding moet niet alleen thermische isolatiefunctie hebben, maar moet ook infrarood schildfunctie (stealth) hebben, om zich beter aan te passen aan moderne oorlogsbehoeften. Daarom is hoe het multifunctionele ontwerp van silica aerogel te realiseren een belangrijk probleem dat moet worden overwogen bij de toepassing ervan op militair gebied.

03 Industriële opslagtanks en leidingen

Momenteel zijn de gemeenschappelijke isolatiematerialen voor HVAC en andere levende pijpen op de markt voornamelijk organische polymeerschuimen, zoals polyurethaanschuim, fenolschuim, polystyreenschuim, enz. Deze materialen zijn echter ontvlambaar en hebben een hoog brandrisico. Silica aerogel is veilig, licht in gewicht, goed in warmteisolatieprestaties, en heeft grote voordelen in uitgebreide prestaties.

Studies hebben aangetoond dat de thermische geleidbaarheid van het bedekte materiaal kan worden verminderd tot 0.084W/(m·K) wanneer het aerogel thermische isolatie composietfilmmateriaal op het oppervlak van de metaalpijp wordt bedekt. Bovendien kan de brandbestendigheidslimietijd van het pijpleidingmateriaal bedekt met de aerogel composietfilm 70 minuten bereiken, wat effectief de veiligheid van de pijpleiding verbetert. Bij de toepassing van chemische pijpleidingisolatie wordt silica aerogel composietvilt hoofdzakelijk gebruikt, zonder speciale waterdichte maatregelen (hydrofobe snelheid ≥ 99%) en het kan nog steeds in regenachtige of vochtige omgevingen worden gebouwd.

 Toepassing van aerogel vilt pads op chemische pijpleidingen

Bovendien heeft het aerogel composietvilt goede antisemische en trekeigenschappen, geen deeltjesaccumulatie en -zetting tijdens gebruik en een lange levensduur. Bij de toepassing van de thermische isolatielaag van direct begraven stoompijpleidingen, onder het uitgangspunt van het voldoen aan het maximaal toelaatbare warmteverlies, kan de dikte van de thermische isolatielaag die vereist is door het composietvilt van silica aerogel met 40% tot 54% worden bespaard in vergelijking met het vilt van glasvezel. Hierdoor verkleint de ruimte die wordt ingenomen door directe begrafenis van pijpleidingen. Silica aerogel vilt heeft uitstekende thermische isolatieprestaties en heeft een betere ruimte om te spelen onder de omstandigheden van hoge stoomtemperatuur en smalle en ruwe plaatsruimte. De silica aerogel vilt mat is ook met succes toegepast op oliepijpleidingisolatie en CNOOC Hainan LNG transmissiepijpleiding. De stabiele werking op lange termijn van de pijpleiding heeft zijn uitstekende thermische isolatie en veiligheid en stabiliteit prestaties geverifieerd.

04 Boiler

Door gebruik te maken van de uitstekende thermische isolatieprestaties van aerogel, kan het toepassen op thermische isolatie van het keteloppervlak de temperatuur van het keteloppervlak en het warmteverlies van de ketel aanzienlijk verminderen. Bij daadwerkelijk gebruik worden de vezelmatrix en silica aerogel vaak gecombineerd om een aerogel vilt mat te vormen, die vervolgens op het ketel lichaam wordt aangebracht. Nadat de ketel aerogel composietmaterialen gebruikt, kan de oppervlaktetemperatuur van het ovenlichaam met ongeveer 39°C worden verlaagd, wordt de thermische efficiëntie van 79.7% tot 81.9%, verhoogd en is de energiebesparing 2.2%.

Toepassing van aerogelcomposieten in ketelsystemen

De temperatuur van de ketel is over het algemeen hoog, dus de vezels in het silica aerogel composietmateriaal moeten weerstand tegen hoge temperaturen hebben. Het is een meer geprefereerde oplossing om hoge temperatuur bestendige polykristallijne mulliet vezels en silica aerogel composieten te gebruiken.

Silica aerogel wordt momenteel minder gebruikt in ketels, voornamelijk gerelateerd aan de productiekosten. Aan de andere kant, is de temperatuur van industriële ketels relatief hoog, en de lange termijn werktemperatuurgrens van aerogel is over het algemeen lager dan 600°C. Het verbeteren van de weerstand op hoge temperatuur van silica aerogel is de toekomstige ontwikkelingstrend.

05 Gebouwisolatie en thuisleven

Silica aerogel is lichtgewicht, lage thermische geleidbaarheid, lange levensduur en goede hydrofobiciteit, die kan voldoen aan de behoeften van thermische isolatie, brandwering, geluidsisolatie en waterdichting op het bouwgebied. Momenteel omvatten de toepassingsvormen van silica aerogel hoofdzakelijk aerogel energiebesparend glas, aerogelcoating, aerogelvilt pad, aerogelblad, aerogelbeton en mortel, en dakzonnecollectoren.

5.1 Silica aerogel energiebesparend glas

De transparante envelopstructuur is de zwakke schakel van energiebesparing van gebouwen, waaronder glas het belangrijkste materiaal van de transparante envelopstructuur is, en zijn energiebesparende prestaties zijn zeer belangrijk. De goede lichttransmissie, warmteisolatie en geluidsreductiemogelijkheden van silica aerogel zorgen ervoor dat het duidelijke voordelen heeft in de toepassing van architecturaal gebied, vooral architecturaal glas.

Toepassing van aerogelglas in civiele gebouwen

Het toepassen van aerogel op glas kan niet alleen de warmteafvoer van het glas verminderen, maar ook voldoen aan de verlichtingsvereisten. Op basis van het verzekeren van het uiterlijk en de verlichting, heeft silica aerogel glas betere hittebestendigheid, sterkere stralingsbestendigheid, en kan ook worden gebruikt voor kleuraanpassing en geluidsabsorptie, die aanzienlijke toepassingsvoordelen heeft. Momenteel omvat de toepassing van silica materialen in architecturaal glas voornamelijk aerogel gecoat glas, bulk aerogel glas en korrelig aerogel gevuld glas.

Aerogelglas bevindt zich nog in het stadium van industrieel onderzoek en ontwikkeling, de relevante technische barrières zijn hoog en er zijn slechts een klein aantal technische toepassingen in de praktijk. Momenteel zijn de bestaande fabrikanten van deeltjesaerogel gevuld glas voornamelijk geconcentreerd in ontwikkelde landen in Europa en de Verenigde Staten. In 2015 bereikte China voor het eerst massaproductie in Changsha. Aerogelglas staat echter nog in de kinderschoenen en er is nog een lange weg te gaan voor praktische toepassing.

5.2 Silica aerogel coating

Aerogel thermische isolatie coating is een belangrijke tak van silica aerogel toepassing. De voorbereiding van aerogel thermische isolatiecoating omvat de volgende stappen: 1. silica-aerogeldeeltjes, stabilisator (of ontschuimer) en water worden gemengd en vermalen tot een uniforme aerogelmodder; 2. voeg dan hars en dispergeermiddel toe om verder te roeren en te verspreiden; ③ Volgens de werkelijke behoeften worden verschillende additieven (zoals titaniumdioxide, ver-infrarood keramische poeder en holle glaskralen, enz.) en kleurmiddelen gemengd om silica aerogel coatings te verkrijgen.

Aerogel coatings hebben een lage thermische geleidbaarheid, eenvoudige constructie en een groot toepassingspotentieel. Er is echter nog steeds geen goede methode om de problemen van slechte dispersie en gemakkelijke agglomeratie van silica aerogel in modder op te lossen, die leiden tot een hoge thermische geleidbaarheid van coatings. probleem.

5.3 Silica aerogel vilt

Silica aerogelvilt verwijst naar de thermische isolatie vilt mat die wordt bereid door silica aerogel te compounderen met vezelversterking in het solstadium, gevolgd door gelatie, veroudering, drogen en andere processen.

Aan de ene kant behoudt de silica aerogel vilt mat goed de uitstekende thermische isolatieprestaties van aerogel, en de thermische geleidbaarheid kan zo laag zijn als 0.0142W/ (m·K). Aan de andere kant lost de aerogel vilt pad effectief het moeilijke toepassingsprobleem op dat wordt veroorzaakt door de lage mechanische sterkte van silica aerogel.

Momenteel omvat de vezelmatrix van aerogelmatten voornamelijk anorganische vezels en organische vezels. De anorganische vezelmatrix omvat hoofdzakelijk glasvezel, aluminavezel en kwartsvezel. Anorganische vezels hebben een hoge thermische stabiliteit en een lage thermische uitzettingscoëfficiënt, maar hun flexibiliteit is slecht en de bindende kracht met aerogel is zwak, wat gemakkelijk is om "poeder vallen" te veroorzaken. Organische vezels, zoals polypropyleenvezels, polyestervezels, aramidevezels, cellulosevezels, enz., kunnen aerogelmatten betere flexibiliteit en aerogelbindingssterkte geven, maar organische vezels hebben een slechte thermische stabiliteit en zijn niet geschikt voor praktische thermische isolatietoepassingen.

Momenteel is het vezelversterkingsdeel van de aerogelmat op de markt hoofdzakelijk gemaakt van glasvezel naald geponst vilt, en de servicetemperatuur kan over het algemeen 550°C bereiken. Dit soort product is met succes toegepast op oliepijpleidingen en stedelijke warmtepijpnetwerken.

5.4 Silica aerogel betonmortel

Cement en beton zijn de meest voorkomende bouwmaterialen. Het samenstellen van silica aerogel met betonmortel kan de porositeit van betonmortel verhogen en het interne warmteoverdrachtspad optimaliseren, waardoor de thermische isolatieprestaties van betonmortel worden verbeterd.

5.5 Silica aerogel voor zonnecollectoren

Aerogel kan worden toegepast in warmteverzamelplaten, wateropslagtanks, pijpen en warmtecollector isolatiesystemen van waterverwarmers, om de warmteverzamelefficiëntie te verbeteren en warmteverlies van bestaande zonnewaterverwarmers te verminderen.

Zonnecollectoren uitgerust met aerogel met een dikte van 20mm hebben uitstekende thermische isolatie eigenschappen. Vergeleken met traditionele ontvangers, wanneer de temperatuur van de inlaatwarmtestroom in het bereik van 583-823K is en de verticale straling in het bereik van 400-1000W·m is, kan de aerogel het warmteverlies van de collector door 7.3%-10.1%.verminderen De apparaatefficiëntie kan worden verhoogd door 0.01%~2.92%.

06 Koelcontainer

Gekoelde containers moeten goede thermische isolatieprestaties hebben, kunnen een lage temperatuuromgeving handhaven en worden gebruikt voor het vervoer van verschillende bederfelijke items. De warmteisolatiematerialen van traditionele gekoelde containers gebruiken over het algemeen materialen zoals glasvezel, asbest, steenwol, polystyreenschuimblokken en schuim. Organische materialen hebben uitstekende warmte-isolerende effecten, maar zijn niet milieuvriendelijk. Hoewel traditionele anorganische materialen niet giftig en onschadelijk zijn, zijn de isolatieprestaties meer algemeen.

Het gebruik van silica aerogel ter vervanging van traditionele materialen als isolatiematerialen voor lage temperatuursystemen zoals gekoelde containers kan rekening houden met de behoeften van milieubescherming en thermische isolatieprestaties. Herchester Company of Germany en Cabot Company van de Verenigde Staten hebben veel onderzoek verricht naar SiO2 aerogel composietmaterialen, en de producten die door hen zijn ontwikkeld zijn met succes toegepast op het isolatiesysteem van koelkasten.

07 Nieuwe energievoertuigen

Op dit moment omvatten de veelgebruikte thermische isolatiematerialen glasvezelkatoen, aluminiumsilicaat katoen en samengestelde warmteisolatieplaten. Er is een dringende behoefte om een brandwerend en thermisch isolatiemateriaal met hoge temperatuurbestendigheid, goede thermische isolatieprestaties en een lange levensduur te vinden.

Silica aerogel heeft aanzienlijke voordelen in thermische isolatie prestaties. Vergeleken met traditionele thermische isolatiematerialen, kan slechts 1/5~1/3 van de dikte hetzelfde thermische isolatieeffect bereiken, dat meer ruimte voor machtsbatterijen bespaart. Momenteel is het getest en gedeeltelijk toegepast in grote lithium-ion batterijfabrikanten zoals Ningde Times en Guoxuan Hi-Tech.

Bij de toepassing van silica aerogel thermische isolatiecomposietmaterialen in nieuwe energievoertuigen moet ook aandacht worden besteed aan de volgende kwesties:

①De hittebestendige temperatuur van de bestaande silica aerogel is ≤550°C, maar de piekstemperatuur van lithium-ion batterijen overschrijdt 600°C, dus de ontwikkeling van aerogelmaterialen met hogere hittebestendige temperaturen is een van de onderzoekstrends;

②Het gebruik van superkritisch droogproces om aerogel composietmaterialen te bereiden is kostbaar, dus de ontwikkeling van relatief goedkoop atmosferisch droogproces is een belangrijke richting voor grootschalige toepassing in de toekomst;

③ Hoe de tegenstrijdigheid tussen aerogel thermische isolatie en batterijwarmteafgifte onder hoge belasting in evenwicht te brengen, is een heet probleem dat moet worden bestudeerd.

In de toekomst kan de toepassing van silica aerogel op het gebied van thermische isolatie zich richten op de volgende aspecten:

(1) De gebruikstemperatuur van silica aerogel is beperkt, en het kan niet voldoen aan de groeiende vraag naar warmteisolatie in gebieden met hoge temperaturen. Het is belangrijk om de thermische stabiliteit van aerogels bij hoge temperaturen te bestuderen en te verbeteren.

(2) Silica aerogels worden voornamelijk toegepast in de vorm van composietmatten, en er is een probleem van "poeder dropping". Daarom is het noodzakelijk om methoden zoals oppervlaktemodificatie en vezelarrangementsoptimatie te onderzoeken om de hechtingskracht tussen aerogeldeeltjes en vezels te verbeteren.

(3) Wanneer aerogelpoeder wordt gemengd in thermische isolatiecoatings, composietpanelen, enz., is het gevoelig voor fase delaminatie en leidt tot een afname van de prestaties van thermische isolatiematerialen. Onderzoek naar het verbeteren van de uniforme verspreiding van aerogelpoeder in composietmaterialen Veiligheid en stabiliteit zijn een van de belangrijkste problemen die moeten worden opgelost bij de toepassing ervan.

(4) Het superkritische droogproces met hoge kosten wordt gebruikt in de bestaande silica aerogel, die de grootschalige toepassing ervan beperkt. Het is een van de toekomstige ontwikkelingstrends om het gebruik van goedkope voorbereidingsmethoden zoals atmosferische drukdroogproces te bestuderen om de productiekosten te verlagen. Eén.