Aerogel: Phân tích chuỗi công nghiệp "cách nhiệt"

Aerogel hiện được coi là vật liệu rắn có độ dẫn nhiệt thấp nhất và mật độ thấp nhất. Nó có tuổi thọ dài, cách nhiệt cực cao và khả năng chống cháy cực cao. Nó được gọi là "vật liệu kỳ diệu làm thay đổi thế giới". Nó còn được gọi là "khói xanh" vì nó nhẹ như sương mù và có màu xanh.

Do tính chất cách nhiệt siêu mạnh và các tính chất khác, ban đầu chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, quân sự và quốc phòng, sau đó dần dần mở rộng sang hóa dầu, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải, sử dụng hàng ngày và các lĩnh vực khác; Nó đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mới nổi như vật liệu mang điện cực, vật liệu xúc tác, vật liệu cảm biến, vật liệu khử trùng nano và phát hành thuốc.

Hiện nay, hạ lưu của aerogel chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực cách nhiệt của đường ống công nghiệp, chẳng hạn như các dự án dầu khí, cách nhiệt công nghiệp và cách nhiệt xây dựng. Đồng thời, nó sẽ mang lại những thay đổi công nghệ trong lĩnh vực cách nhiệt pin xe năng lượng mới.

Thị trường aerogel toàn cầu có quy mô khoảng 870 triệu USD vào năm 2021 và dự kiến sẽ đạt 3,743 tỷ USD vào năm 2030, với tốc độ tăng trưởng CAGR khoảng 17,6% trong 10 năm tới, theo báo cáo phát triển ngành công nghiệp vật liệu mới của hóa chất Trung Quốc.

Trong ô tô năng lượng mới, aerogel có thể giải quyết hiệu quả vấn đề cách nhiệt của pin lithium sắt phosphate trong môi trường nhiệt độ thấp và vấn đề khuếch tán nhiệt không kiểm soát của pin triple trong môi trường nhiệt độ cao, là vật liệu được lựa chọn để cách nhiệt pin lithium.

Theo ID TechEx, thị phần doanh thu của aerogel trong thị trường xây dựng và pin sẽ tăng nhanh trong tương lai.

Tổng quan về ngành Aerogel

Aerogel ra đời vào năm 1931, nhưng phải đến những năm 1990, nước ngoài mới bắt đầu công nghiệp hóa nó.

Tuy nhiên, do chi phí cao của quá trình sấy khô, aerogel ban đầu chỉ có thể được sử dụng trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, quân sự và hóa dầu.

Aerogel trong nước bắt đầu muộn hơn, thị trường ban đầu bị chiếm đóng bởi các sản phẩm aerogel nước ngoài với giá cao và nỗ lực tiếp thị nhỏ.

Năm 2012, thiết bị sấy aerogel carbon dioxide siêu tới hạn 1000L đầu tiên trong nước được đưa vào sản xuất, đánh dấu việc sản xuất hàng loạt areogel. Sau một số lần lặp lại công nghệ, chi phí sản xuất đã giảm dần.

Với sự gia tăng chính sách trong nước, sự gia tăng của các doanh nghiệp aerogel trong nước, sự tiến bộ của công nghệ và giảm chi phí liên tục, aerogel bước vào kênh phát triển nhanh chóng.

Aerogel là một vật liệu rắn với cấu trúc mạng xốp nano chứa đầy khí trong các lỗ chân lông. Cấu trúc này không có hiệu ứng đối lưu, hiệu ứng vách ngăn vô hạn và hiệu ứng đường dài vô hạn.

Nguyên tắc của cách nhiệt là cấu trúc vi mô lỗ nano và lỗ fractal nhiều tầng dày đặc có thể ngăn chặn hiệu quả đối lưu và giảm bức xạ nhiệt và truyền nhiệt.

So với vật liệu cách nhiệt truyền thống, tính chất cách nhiệt của nó gấp 2-8 lần so với vật liệu truyền thống, do đó, lượng aerogel được sử dụng ít hơn dưới cùng một hiệu ứng cách nhiệt.

Thời gian thay thế của aerogel là khoảng 20 năm, so với khoảng 5 năm đối với vật liệu cách nhiệt truyền thống, do đó chi phí sử dụng thấp hơn trong suốt vòng đời.

Nhưng khuyết điểm của nó cũng thập phần nổi bật. Hiện nay, một yếu tố quan trọng hạn chế việc sử dụng aerogel trong vật liệu cách nhiệt là sự cân bằng giữa chi phí nguyên liệu và tuổi thọ.

Theo Aspen Aerogel, chi phí vật liệu chiếm khoảng 48% tổng chi phí và chi phí sản xuất khoảng 44%.

Cụ thể, chi phí sản xuất aerogel chủ yếu tập trung vào nguồn silicon thô, khấu hao thiết bị và tiêu thụ năng lượng. Trong đó, chi phí khấu hao thiết bị và tiêu thụ năng lượng chiếm khoảng 60% tổng chi phí chuỗi công nghiệp. Việc giảm chi phí hiệu quả một mặt phụ thuộc vào sự đột phá trong quá trình chuẩn bị và mặt khác thông qua công nghiệp hóa quy mô lớn của nguyên liệu thô chi phí thấp.

Do đó, việc giảm chi phí của aerogel chủ yếu bắt đầu từ chi phí sấy khô và chi phí nguyên liệu.

Chuỗi công nghiệp Airgel

Chuỗi công nghiệp aerogel bao gồm tiền chất aerogel thượng lưu (nguồn silic vô cơ và nguồn silicone hữu cơ), các sản phẩm vật liệu aerogel trung bình và thiết bị sản xuất aerogel và các ứng dụng hạ lưu.

Tetraethyl prosilicate thượng nguồn và silane chức năng là nguồn silicon; Sợi thủy tinh nỉ hoặc sợi gốm nỉ là ma trận; Hạ lưu và trung bình của aerogel: quá trình xử lý bề mặt aerogel, sử dụng công nghệ sol-gel để tải nguồn silicon trên ma trận, sau đó sử dụng quá trình siêu tới hạn CO2 để loại bỏ các tạp chất trong lỗ silicone, tiếp tục hình thành cấu trúc microporous tốt, sau đó xử lý lại và bán cho khách hàng hạ lưu.

Thượng nguồn: nguồn silicon (tiền thân)

Theo cấu trúc hợp chất và thành phần khác nhau, nguồn silicon có thể được chia thành nguồn silicon hữu cơ và nguồn silicon vô cơ.

Các nguồn silicone bao gồm silane chức năng như methyl prosilicat (TMOS) và ethyl prosilicat (TEOS); Nguồn silic vô cơ bao gồm silic tetrachloride, natri silicat, v.v.

Hiện nay, nguồn silicone là tuyến đường chính, các nhà sản xuất liên quan chính bao gồm vật liệu mới Morning Light, vật liệu mới Hongbak, công ty cổ phần Xinan, Jinhong Gas, v.v.

Trong số đó, các công ty có lợi thế chi phí đáng kể trong toàn bộ chuỗi công nghiệp bao gồm Morning Light New Materials và Humboldt New Materials.

Morning Light Vật liệu mới là một nhà lãnh đạo trong ngành công nghiệp silane chức năng, với năng lực sản xuất của tetraethyl silicate thô, có lợi thế chi phí đáng kể; Nguyên liệu thô được cắt thành đường ray aerogel, có lợi thế của toàn bộ chuỗi công nghiệp; Panya Microtrans, một nhà lãnh đạo ePTFE trong nước, đã mua lại 60% cổ phần của Greater Yingsheng để chuyển sang lĩnh vực aerogel.

Trung bình: Sản phẩm Airgel

Việc sử dụng vật liệu aerogel thường ở dạng tấm cách nhiệt aerogel, nỉ, đệm và các vật liệu composite khác. Bản thân vật liệu aerogel có độ bền thấp, độ giòn cao và việc sử dụng trực tiếp bị hạn chế. Do đó, nó thường được kết hợp với polymer hữu cơ và vật liệu gia cố sợi để chuẩn bị vật liệu cách nhiệt cứng và linh hoạt.

Vật liệu composite thường được sử dụng bao gồm sợi thủy tinh, dây oxy hóa trước, sợi gốm, v.v. Trong quá trình sử dụng cụ thể, bề mặt bên ngoài của vật liệu composite aerogel cũng có thể được phủ bằng vật liệu màng, vải thủy tinh, v.v., để ngăn chặn hỗn hợp aerogel rơi ra và vỡ, và hơn nữa đảm bảo tính toàn vẹn của nó để tối đa hóa hiệu quả cách nhiệt.

Các nhà sản xuất chính của các sản phẩm aerogel bao gồm Nanotechnology, Zhongco Runko, Morning Light New Material, Red&White New Material, Elyson, Audemars Piguet, Dongguan Four Elephant, Jinnah Technology, Jianghan New Material, v.v.

Trung bình: Thiết bị Airgel

Trong quá trình chuẩn bị aerogel, bước sấy khô là quá trình quan trọng nhất.

Aerogel được chuẩn bị từ một nguồn silic vô cơ hoặc tiền nguồn silicone, gel ướt được chuẩn bị bằng cách kiểm soát dung môi, nhiệt độ, chất xúc tác, v.v. và gel ướt được lão hóa, sửa đổi và sấy khô để có được aerogel.

Hiện nay, các công nghệ chính cho các ứng dụng công nghiệp hóa là công nghệ sấy siêu tới hạn và công nghệ sấy áp suất bình thường. Các kỹ thuật khác chưa được sản xuất hàng loạt bao gồm sấy đông chân không và sấy dưới tới hạn.

Công nghệ sấy siêu tới hạn là công nghệ sớm nhất để đạt được việc chuẩn bị hàng loạt aerogel, tương đối trưởng thành và cũng là công nghệ được sử dụng rộng rãi bởi các doanh nghiệp aerogel trong và ngoài nước. Khô siêu tới hạn có thể duy trì cấu trúc xương hoàn chỉnh của gel trong quá trình sấy.

Hạ lưu: Ứng dụng kết thúc

Được hỗ trợ bởi chính sách, dựa trên không gian thị trường rộng lớn cho các sản phẩm aerogel, nhiều doanh nghiệp đã tham gia vào ngành công nghiệp aerogel, thúc đẩy tăng tốc mở rộng năng lực công nghiệp.

Sinopec, CNPC và các doanh nghiệp khác đã đi đầu trong lĩnh vực cách nhiệt đường ống dẫn dầu và khí đốt.

Trong lĩnh vực pin điện, mười nhà sản xuất pin điện hàng đầu thế giới như CATL, AVIC Lithium Battery và Guoxuan Technology đều mua các sản phẩm aerogel.

Với sự tiến bộ của công nghệ và mở rộng hơn nữa quy mô của ngành, aerogel dự kiến sẽ dần dần thay thế các vật liệu cách nhiệt truyền thống, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp và thiết bị. Toàn bộ ngành nghề sẽ chuyển từ thời kỳ nhập khẩu sang thời kỳ tăng trưởng, toàn bộ chuỗi ngành nghề có triển vọng đón nhận cơ hội phát triển.