Aerogel: Análise da cadeia industrial de "isolamento térmico"

Aerogel é atualmente conhecido como o material sólido com a menor condutividade térmica e a menor densidade. Tem uma longa vida útil, desempenho de isolamento térmico super, e resistência ao fogo super alta. É conhecido como "o material mágico que muda o mundo". Também é conhecido como "fumaça azul" porque é tão leve quanto uma névoa e tem uma cor azulada.

Devido à sua super isolação térmica e outras propriedades, foi usado principalmente em campos aeroespaciais, militares e de defesa nacional na fase inicial, e então gradualmente expandido para petroquímica, indústria, construção, transporte, uso diário e outros campos; em materiais portadores de eletrodos, materiais catalíticos, materiais de detecção, materiais de nano esterilização, liberação de drogas e muitos outros campos emergentes têm sido extensivamente estudados.

Atualmente, a jusante do aerogel está concentrada no isolamento térmico de dutos industriais, como projetos de petróleo e gás, isolamento térmico industrial e isolamento térmico de construção civil. Ao mesmo tempo, trará mudanças tecnológicas para os campos de isolamento térmico da bateria do veículo da energia nova.

De acordo com os dados do Relatório Nacional de Desenvolvimento da Indústria de Novos Materiais da China, o tamanho do mercado global de aerogel será de aproximadamente US$ 870 milhões em 2021, e espera-se que atinja US$ 3,743 bilhões em 2030, com uma taxa de crescimento anual composta de aproximadamente 17,6% nos próximos 10 anos.

Em termos de novos veículos de energia, o aerogel pode efetivamente resolver o problema da preservação do calor de baterias de fosfato de ferro de lítio em ambientes de baixa temperatura e o problema da difusão térmica runaway de baterias ternárias em ambientes de alta temperatura, e é o material preferido para isolamento térmico de baterias de lítio.

De acordo com dados da ID TechEx, a participação de receita do aerogel no mercado de construção e baterias crescerá rapidamente no futuro.

Visão geral da indústria aerogel

A Aerogel nasceu em 1931, mas só na década de 1990 os países estrangeiros começaram a industrializá-la.

No entanto, devido ao alto custo do processo de secagem, aerogéis iniciais só podiam ser usados em campos militares e petroquímicos aeroespaciais.

Aerogel doméstico começou relativamente tarde, e o mercado inicial foi ocupado por produtos de aerogel estrangeiros com preços altos e poucos esforços de marketing.

Em 2012, o primeiro equipamento doméstico de secagem de aerogel de dióxido de carbono supercrítico 1000L foi colocado em produção, marcando a produção em larga escala de areogel. Após várias iterações técnicas, o custo de produção foi gradualmente reduzido.

Com o aumento das políticas domésticas, o aumento das empresas domésticas de aerogel, o progresso da tecnologia e o declínio contínuo dos custos, o aerogel entrou em um canal de desenvolvimento rápido.

Aerogel é um material sólido com uma estrutura de rede nanoporosa e preenchido com gás nos poros. Esta estrutura não traz nenhum efeito de convecção, efeito defletor infinito e efeito de caminho longo infinito.

O princípio da isolação térmica é que os nanoporos uniformes e densos e a microestrutura fractal do poro do multi-nível podem eficazmente impedir a convecção e reduzir a radiação térmica e a transferência térmica.

Comparado com os materiais tradicionais da isolação térmica, o desempenho da isolação térmica é 2-8 vezes aquele dos materiais tradicionais, assim que a quantidade de aerogel usada é menos sob o mesmo efeito da isolação térmica.

O ciclo de substituição do aerogel é de cerca de 20 anos, enquanto o ciclo de substituição de materiais de isolamento tradicionais é de cerca de 5 anos, de modo que o custo de uso de todo o ciclo de vida é menor.

Mas as suas deficiências também são muito proeminentes. Atualmente, o fator importante que restringe a aplicação de aerogel em materiais de isolamento térmico é o equilíbrio entre custo da matéria-prima e vida útil.

De acordo com dados de aerogéis Aspen, os custos de materiais representam cerca de 48% do custo total e os custos de fabricação representam cerca de 44%.

Especificamente, o custo de produção do aerogel está concentrado principalmente na fonte de silício da matéria-prima, na depreciação do equipamento e no consumo de energia. Entre eles, a depreciação de equipamentos e o custo de consumo de energia representam cerca de 60% do custo total da cadeia industrial. A redução efetiva de custos depende do avanço do processo de preparação, por um lado, e por outro, através da industrialização em larga escala de matérias-primas de baixo custo.

Portanto, a redução de custo do aerogel começa principalmente a partir do custo de secagem e custo da matéria-prima.

Cadeia da Indústria Aerogel

A cadeia industrial de aerogel inclui precursores de aerogel upstream (fonte de silício inorgânico e fonte de silício orgânico), produtos materiais de aerogel midstream e equipamentos de produção de aerogel e aplicações downstream.

O ortossilicato de tetraetil a montante e o silano funcional são fontes de silício; feltro de fibra de vidro ou feltro de fibra cerâmica é a matriz; aerogel midstream e downstream: processamento de substrato de aerogel, usando tecnologia sol-gel para carregar a fonte de silício na matriz, em seguida, use o processo supercrítico de CO2 para remover as impurezas nos poros de gel de sílica, forme ainda uma boa estrutura microporosa e, em seguida, realize pós-processamento e vendas para clientes downstream.

A montante: fonte de silício (precursor)

De acordo com diferentes estruturas e componentes compostos, as fontes de silício podem ser divididas em fontes orgânicas de silício e fontes inorgânicas de silício.

As fontes orgânicas de silício incluem silanos funcionais, como ortosilicato de metilo (TMOS) e ortosilicato de etilo (TEOS); fontes inorgânicas de silício incluem tetracloreto de silício, silicato de sódio, etc.

Atualmente, a fonte de silício orgânico é a rota principal, e os principais fabricantes relacionados incluem Chenguang Novos Materiais, Hongbai Novos Materiais, Xin'an Co., Ltd., Jinhong Gases, etc.

Entre eles, as empresas com vantagens de custo significativas em toda a cadeia da indústria incluem Chenguang Novos Materiais e Hongbai Novos Materiais.

Chenguang Novos Materiais é líder na indústria de silano funcional, tem a capacidade de produção de ortossilicato de tetraetil e tem uma vantagem de custo significativa; A matéria-prima é cortada na trilha do aerogel, que tem as vantagens de toda a cadeia da indústria; A Panya Microtrans é líder nacional do ePTFE, e adquiriu 60% do capital da Dayin Xisheng para cortar no campo do aerogel.

Midstream: produtos aerogel

A utilização de material aerogel é geralmente na forma de placas de isolamento aerogel, feltros, tapetes e outros materiais compósitos. O próprio material aerogel tem baixa resistência e alta fragilidade, e seu uso direto é limitado. Portanto, geralmente é composto com polímeros orgânicos e materiais reforçados com fibra para preparar materiais de isolamento rígidos e flexíveis.

Materiais compostos comumente usados incluem fibra de vidro, fio pré-oxidado, fibra cerâmica, etc No processo de uso específico, a superfície externa do material composto de aerogel também pode ser revestida com materiais de filme, pano de vidro, etc., para evitar que o material composto de aerogel caia e quebre, e ainda garantir sua integridade para maximizar o efeito de isolamento térmico.

Os principais fabricantes de produtos de aerogel incluem Nano Technology, Zhongke Runzi, Chenguang Novos Materiais, Hongbai Novos Materiais, Elyson, Audemars Piguet, Dongguan Sixiang, Jinna Technology, Jianghan Novos Materiais, etc.

Midstream: Aerogel Devices

No processo de preparação do aerogel, a etapa de secagem é o processo mais crítico.

O aerogel é preparado a partir da fonte inorgânica do silicone ou do precursor da fonte do organosilício, e o gel molhado é preparado controlando o solvente, a temperatura, o catalisador, etc., e o gel molhado é envelhecido, modificado e seco para obter o aerogel.

Atualmente, as principais tecnologias utilizadas na industrialização são a tecnologia de secagem supercrítica e a tecnologia de secagem por pressão atmosférica. Outras tecnologias que ainda não foram produzidas em massa incluem liofilização a vácuo e secagem subcrítica.

A tecnologia de secagem supercrítica é a tecnologia mais antiga para realizar a preparação em lote de aerogel, e é relativamente madura, e também é uma tecnologia amplamente utilizada por empresas de aerogel em casa e no exterior. A secagem supercrítica pode manter a estrutura esquelética intacta do gel durante o processo de secagem.

A jusante: lado da aplicação

Com o apoio de políticas, baseadas no enorme espaço de mercado de produtos de aerogel, muitas empresas entraram na indústria de aerogel, promovendo a expansão acelerada da capacidade produtiva da indústria.

Empresas como Sinopec e PetroChina são as primeiras a entrar no campo de isolamento de oleodutos e gasodutos.

No campo de baterias de energia, os dez principais fabricantes de baterias de energia do mundo, como CATL, AVIC Lithium Battery e Guoxuan Hi-Tech, todos compram produtos de aerogel.

Com o avanço da tecnologia e a maior escala da indústria, espera-se que o aerogel substitua gradualmente os materiais tradicionais de isolamento térmico, especialmente no campo da indústria e do equipamento. A indústria como um todo fará a transição do período de introdução para o período de crescimento, e espera-se que toda a cadeia da indústria inaugure oportunidades de desenvolvimento.