我國氣凝膠材料研究與產業化現狀

余偉業

1931年，Steven.S.Kistler在《自然》雜志上發表了題為《共聚擴散氣凝膠與果凍》（Coherent expanded aerogels and jellies）的論文，業界以此作為氣凝膠誕生的標志。氣凝膠已經歷3次產業化浪潮，當前正處于以我國企業為主導的新一輪產業化浪潮中。隨著氣凝膠工藝成本的降低和產業規模的不斷擴大，我國氣凝膠企業成功開拓了工業設備管道節能、新能源汽車安全防護、軌交車廂及船體防火隔熱保溫的應用市場，氣凝膠市場日益成熟。

作為當前氣凝膠材料新一輪產業化的主陣地，我國氣凝膠市場規模龐大。公開資料顯示，2019年全球二氧化硅（SiO2）氣凝膠市場規模達22億元，而我國占比超過50%。從應用領域上看，能化領域是氣凝膠材料的主要應用市場，2019年氣凝膠下游應用中，能化領域市場占比達到82%；建筑材料領域雖然在當前氣凝膠下游應用市場占比不高，但建材市場空間廣闊，有望成為氣凝膠的第2大應用場景；由于氣凝膠制成的隔熱片可以有效防止鋰離子動力電池箱中某塊電池單體過熱造成的連鎖效應，解決三元鋰電池的安全痛點，新能源交通工具或將成為氣凝膠在交通領域的主要增長引擎[1-3]。

本文先從分類及應用的角度對氣凝膠當前產品形式作簡要介紹，再利用專利分析對我國當前氣凝膠研發態勢進行分析。最后基于網絡調研和專利解讀，對當前國內氣凝膠領域重點企業的產品、專利布局進行分析，以說明當前我國氣凝膠產業應用現狀。

1 氣凝膠材料的分類及應用

從應用產品形式分類，氣凝膠主要可以分為氣凝膠氈、氣凝膠板、氣凝膠顆粒和氣凝膠涂料。

1.1 氣凝膠氈

目前，氣凝膠氈類產品主要是以納米級SiO2氣凝膠為主，通過一定工藝與碳纖維或玻璃纖維棉或預氧化纖維氈復合而成的柔性保溫氈。氣凝膠氈的主要特點是導熱系數低，隔熱效果是傳統隔熱材料2～5倍，能夠有效降低保溫層厚度；其次，氣凝膠氈相對憎水，可有效防止水分進入管道或設備內部；此外，氣凝膠氈質輕、易剪裁等特點大大降低了運輸、安裝和使用成本。因此，氣凝膠氈被廣泛用于工業管道、工業爐體、電廠、軍艦艙壁、動車等領域[4]。

1.2 氣凝膠板

氣凝膠板是氣凝膠與其他材料復合制成的板材，與氣凝膠氈的主要差異在于其不是在溶膠階段與纖維材料復合，是以氣凝膠材料或氣凝膠材料為主的復合材料作為芯材，再與纖維、顆粒、砂漿、金屬、有機聚合物等材料經過后期二次成型制得的剛性板材，可用于建筑、機器、設備等領域，最大程度地滿足不同客戶對保溫層厚度、耐溫及強度的要求。

1.3 氣凝膠顆粒

目前的氣凝膠顆粒產品主要是多孔、輕質且疏水的無定形SiO2氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒的制備方法成熟，一般是通過常壓干燥成型的方法直接制備氣凝膠粉體材料，或者先利用超臨界方法制備大塊氣凝膠，然后通過不同破碎方法，得到不同粒徑氣凝膠顆粒。氣凝膠顆粒兼具高內部容量與超高疏水性的特點，正日益在多種應用場景中得到運用，例如有機過濾和固存、填充聚合物補強、個人護理產品中的油脂吸收、觸變性/流變性改性等。但是，因粉體材料不易成型，SiO2氣凝膠粉末顆粒一般不單獨作為隔熱保溫材料使用，常見的用途是作為涂料添加劑或采光玻璃中的填充層。

1.4 氣凝膠涂料

目前，氣凝膠涂料產品主要是以自交聯丙烯酸乳液為成膜物，以SiO2氣凝膠、空心玻璃微珠、六鈦酸鉀晶須等為填料，在多種助劑的配合下制備而成。氣凝膠涂料具有薄層噴涂施工、納米孔絕熱、安全防火、環保節能、性價比高，無脫落風險等優點。當前，氣凝膠涂料主要應用領域是建筑保溫隔熱，用于管道彎頭、閥門、接頭接縫等異型管道及設備保溫的填縫、粘結及修補。隨著產品的進一步開發，除SiO2氣凝膠之外，陶瓷類氣凝膠、石墨烯氣凝膠等其他類型的氣凝膠粉體也逐步應用到氣凝膠涂料中，以改善目前SiO2氣凝膠涂料在耐熱、強度方面的不足[5，6]。

2 氣凝膠材料專利現狀分析

對氣凝膠材料相關專利進行分析，從專利申請態勢、申請人類型、研究熱點等角度了解當前氣凝膠材料的應用現狀及前景。在Incopat專利檢索平臺對相關專利進行檢索，共檢索到專利4 923條（圖1）。

從圖1可見，近10年我國氣凝膠在領域的研究熱度持續攀升，專利申請量從2011年的57件上升到2018年的908件（2019、2020年專利未完全公開）。我國專利申請中，大部分為發明專利，占比達88.7%，其次是實用新型專利，占比為11.1%，外觀設計專利較少，僅占0.2%（見圖2）。

對圖2的發明專利情況做進一步分析可知，發明專利授權率和有效率較高，分別為64.07%和87.13%，表明本領域的專利質量較高；相較之下，氣凝膠領域發明專利的轉讓率略低，為12.94%，這或許是因為企業作為申請人的發明專利占比較高。圖3對我國氣凝膠領域專利的申請人類型進行了分析，有44%的專利申請來自于企業，其次是大專院校、科研機構和個人，分別占39%、9%和7%，同樣說明了企業在氣凝膠材料領域研發與應用的主體地位（見圖3）。

為分析當前氣凝膠領域的研究熱點，利用INCOPAT平臺聚類分析，對專利關鍵詞進行聚類分析并對平臺給出結果進一步篩選優化，結果如表1所示。

從聚類結果上看，氣凝膠領域的專利研究主題主要集中在材料，炭氣凝膠、氧化硅氣凝膠、納米纖維素、復合材料等，表明當前SiO2氣凝膠、炭氣凝膠仍是當前應用研究的熱點，而復合是氣凝膠材料的改善性能的主流方向；在產品方面，保溫玻璃、氣凝膠粉體、氣凝膠氈等產品專利較多，值得一提的是，氣凝膠在鋰離子動力蓄電池應用方面也有一定專利，表明鋰離子電池隔熱片或許是氣凝膠應用的重點方向；在制備方法上，專利研究主要集中在超臨界法、射頻輻射和常壓干燥。

3 國內氣凝膠材料主要企業分析

3.1 主要企業概況

國內氣凝膠領域主要企業目前包括廣東埃力生高新科技有限公司、納諾科技有限公司、愛彼愛和新材料有限公司、江蘇安珈新材料科技有限公司等。

3.1.1 廣東埃力生高新科技有限公司

廣東埃力生高新科技有限公司于2007年落戶廣東省英德市，是國內大規模工業化生產氣凝膠絕熱材料的領軍企業，其開創了國內完整、連續的氣凝膠隔熱材料大型產業化生產技術，具備大型工業化生產氣凝膠及氣凝膠復合隔熱材料能力，現已發展成為國內第1家、全球第2大能規模化生產氣凝膠材料的領軍企業，年產能達到50 000m3/年。其主要產品包括氣凝膠顆粒、氣凝膠氈以及氣凝膠板等3大系列產品。在研發方面，廣東埃力生高新科技有限公司擁有長期穩定的核心研發團隊，具有豐富的氣凝膠產品研發和項目開展經驗；同時，積極開展與高校的產學研合作，并設立專家顧問團隊。

3.1.2 愛彼愛和新材料有限公司

愛彼愛和新材料有限公司于2015年3月正式注冊成立，廠區位于滄州臨港工業園區，是我國早期介入氣凝膠工業化生產的企業之一。公司業務涵蓋氣凝膠及氣凝膠復合材料的研發、生產及銷售，并可提供基于氣凝膠材料的防火、絕熱和節能綜合解決方案。2017年初，愛彼愛和擁有自主知識產權的全球單條產能最大的氣凝膠生產線調試、運行成功。該生產線二期建設完成后，愛彼愛和將具備30 000m3/年的氣凝膠材料生產能力。在研發方面，公司研發團隊由3名博士生導師、教授帶領，核心成員曾承擔多項國家863和973技術攻關項目。研發部分主要分為材料研發中心和化學研究中心，中心實驗及檢測面積達4700㎡，配備有小型二氧化碳（CO2）超臨界實驗裝置、智能型干法粒度儀、氣相色譜有機揮發有害物（TVOC）檢測儀、材料熱分析儀、導熱系數測試儀、建材不燃性試驗爐、氣相色譜、液相色譜及卡爾費休水分測定儀等。公司先后與美國波士頓大學、中國科學院、同濟大學以及北京理工大學等共建了聯合實驗室和課題組。

3.3.3 納諾科技有限公司

納諾科技有限公司成立于2004年4月，坐落于浙江省紹興市，公司業務涵蓋氣凝膠及其復合材料的研發、生產和銷售于一體的國家高新技術企業。2011年建成年產300萬m2氣凝膠全自動化生產線，是國內從事早、規模大、實力強的SiO2納米孔超級隔熱材料研發與制造基地。目前，納諾科技有限公司已形成軌道交通、公共節能、石油化工、裝備配套、海外營銷五大行業為依托的市場布局，同時以華北、華東、西北設立的分支機構輻射全國，海內外業務遍及50多個國家和地區。在研發方面，納諾科技有限公司擁有一支由知名專家、教授、博士等組成的研發團隊，專業技術人員占公司員工的30%以上。公司建有省級企業技術研發中心，先后承擔了國家科技支撐計劃項目、國家重點研發計劃項目、國家重大科技專項課題、省重大科技專項重點工業項目。

3.1.4 江蘇安珈新材料科技有限公司

江蘇安珈新材料科技有限公司是南京工業大學學科型公司，專業從事氣凝膠絕熱材料產品的研發、生產、成套設備、技術服務和銷售的企業。該公司將投資約2億元，建成年產20 000m3/年的氣凝膠絕熱材料生產線。在研發方面，技術力量主要依托南京工業大學沈曉冬教授團隊，先后承擔了國家“973”重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金等省部級項目30余項。

3.2 主要企業產品分析

基于公開資料整理，對上述幾個主要企業的產品與服務進行分析（見表2），可見產品多為卷材（絕熱氈）、氣凝膠顆粒、氣凝膠板、涂料等，主要集中在產業鏈的上游，少數有保溫套、柔性毯、面料等產業鏈中下游產品。

3.3 主要企業專利技術分布

對上述企業作為專利權人的有效專利關鍵詞按照材料、產品、方法、設備、性能等領域分類，結果如表3所示。在材料方面，主要集中在SiO2及其改性或纖維復合材料；在產品專利方面，主要集中在板材、卷材、涂料等上游產品或者手套、保溫箱、保溫杯等日用品，值得關注的是，愛彼愛和新材料有限公司、納諾科技有限公司均在鋰離子電池隔熱方面有專利部署；在制備方法上，多數專利使用超臨界法，愛彼愛和新材料有限公司在常壓干燥上有專利部署；在性能上，相關企業的專利主要研究氣凝膠的隔熱性能；此外，在氣凝膠的傳送、預處理、剪裁等設備上有一定的專利部署。

4 結論

整體來看，我國的氣凝膠產業起步基本與國際同步，且發展勢頭強勁，年產量、消費量增速快，產業規模擴張迅速。雖然當前產品主要集中在工業管道保溫領域，但是隨著應用領域的不斷拓寬，建筑和新能源汽車領域市場逐漸打開，未來市場前景廣闊。

近10年，我國氣凝膠領域專利申請量增長迅速，反映我國氣凝膠領域的研究與應用熱度持續攀升，而企業是當前專利申請的主要力量，表明我國氣凝膠材料產業化進程中企業占主導地位。此外，氣凝膠領域的專利整體質量較高。從氣凝膠專利的主題詞聚類結果來看，材料是關注的熱點，當前主要集中在SiO2氣凝膠，其中纖維復合改性是研究較多的方法；產品的專利申請主要圍繞氣凝膠氈、氣凝膠板等傳統產品，而鋰離子動力蓄電池也成為了關注的熱點。

我國主要企業的產品主要集中在氣凝膠顆粒、氣凝膠氈、氣凝膠板等相對接近原材料的產品，缺乏下游成型產品或配套服務，產業鏈有待進一步延伸。從企業專利布局來看，多為實用新型專利，主要集中在產品或設備。發明專利則在材料、制備方法上的比較集中，分別關注SiO2氣凝膠以及超臨界法。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.006

致謝：本文獲得“廣東科技信息資源與技術情報服務平臺建設（1819180010）”的支持。

參考文獻

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