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二氧化硅气凝胶的应用领域
气凝胶材料在输热管道方面的应用
输热管道保温的现状
现在的工业输送供热管道,管道内温度从几十度至5,600度都有。这些管道
的保温工程广泛使用硅酸铝镁质材料,玻璃纤维类材料。约30年前,保温工程
还几乎都只是采用岩棉,矿物棉类材料,到现在,岩棉保温在工业保温工程中,
已被淘汰。在施工性能,防水性能等方面都差别不大的情况下,被淘汰的主要原
因就是导热系数的差距。以下为主要几种材料在不同温度下导热系数。
导热系数
25℃100℃200℃400℃
mw/m·k
气凝胶18212534
硅酸铝375572110
玻璃纤维425070不可用
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岩棉557092140
发泡材料36不可用不可用不可用
现在我国的保温工程的问题:
●保温结构不合理、保温厚度不规范、保温施工不到位。
●易变形、沉降,热稳定性差,破损率大,后期保温效果差,无法满足工艺
要求。
●保温效果差且下降明显,导致保温工程维护成本提升,设备运行费用增加。
●使用寿命基本只有3~5年,到期需全部更换。
●不完全防水,易吸水吸潮腐蚀管道。
●对于超过100度的较高温度的管道,保温层至少需要>200mm厚度,管道线
热流密度高,热能损失大。
气凝胶材料带来的好处:
●隔热效果是传统隔热材料2-5倍,高温下优势更明显,而且寿命更长。
●材料整体憎水,可有效防止水分进入管道、设备内部,同时具有A1级防
火性能。
●质轻,容易裁剪、缝制以适应各种不同形状的管道、设备保温,且安装所
需时间及人力更少。
●更少的包裹体积及更轻的重量可大大降低保温材料的运输成本。
●对设备进行保温的同时,还可以起到吸声降噪、缓冲震动等功能,提高环
境质量,保护设备。
●仅需1/2至1/5的厚度即可达到传统材料相同的隔热效果,热损失非常小,
空间利用率高。
气凝胶复合保温材料与现流行的保温材料具体性能对比:
传统保温材料
气凝胶复合保温毡
复合硅酸盐岩棉
导热系数,
183655
(常温)
350℃下导热
30110130
系数
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350℃下保温
30mm100mm110mm
厚度
容重,kg/m3200120-150100-120
不完全防水,易吸水吸潮腐蚀管道,防护
憎水率≥99%,无需特殊
防水性板表面需喷涂金属密封胶进行防水
防水措施
三通、阀门等可拆卸保温套,保温效
填充方式或保温盒保温,保温效果差
保温果好,使用方便
10年3~5年
整体性好,具有较好的材料结构松散,自重、设备振动、材料进
使用寿命抗震抗拉性,在使用过水等极易导致材料解体、沉降,保温效果
程中不出现颗粒堆积、明显下降,热损失严重超标。
沉降等现象
使用厚度小,可减少管保温层厚,搭接处容易存在缝隙,较高的
道保温厚度,减少蒸汽膨胀收缩系数易致使缝隙成为热桥,振动
其他
管道间距,减少厂房面后更明显,热损失大。
积或管廊大小。
气凝胶复合保温材料与现流行的保温材料的经济效益对比:
(以1km,100mm直径,供热温度300度管道为例计算)
气凝胶复合保温毡复合硅酸盐毡
预计表面温度(℃)3535
保温材料厚度mm120300
保温层总体积m383377
主要材料费用(万元)8545
施工费及辅材费(万元)1120
管道线热流密度(W/m)130300
热损失比13
损失总热能(%)3%10%
实际应用过程中,复合硅酸盐毡在使用2、3个月后,保温效果将越来越差,
损失的热量将更大。
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气凝胶材料在LNG方面的应用
LNG保温的现状
在LNG工程及其他低温项目建设中,低温、超低温设备涉及到的温度大都在
-40至-170摄氏度。最常用的深冷保冷材料主要有PUR/PIR,发泡玻璃,橡塑,
改性酚醛泡沫等,这些材料较之于先前使用的珍珠岩材料,无论从性能还是施工
方面看,都有了很大的改善。保冷效果的好坏不仅关系到整个设备的输送效率,
而且对装置的安全生产也有至关重要的影响。合适的保冷材料不仅能够降低能
耗、减少冷量损失,而且为符合环保要求、为企业安全生产和创造更好的效益提
供了保障。气凝胶型保温材料的出现,似乎正是为了这种深冷型保温而量身定做,
在国内外已经开始广泛应用。
我国当前绝大多数的LNG输送管道保冷工程都不是很理想,其主要缺陷及成
因如下:
●传统材料保温性能衰减很快,导致维护成本很高。
●传统材料保冷效果差,冷损失大,容易给天然气或其他压缩气体的储藏运
输带来危险。
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●传统材料包裹厚度大,给密集型管线排布设计带来诸多不便。
●管道由于保冷层的效果差而很容易被结露的水腐蚀。
●保冷层很容易因结露水太多而失去效果。
●有机类材料防水性可以但无法满足防火要求。
气凝胶材料带来的好处
●保冷效果优异,*k,超低温时热导率<*k,
所需保冷层厚度大大减小,有效降低冷损失,为密集型管线排布设计提供优化。
●具有最佳的低温稳定性,-200℃仍可长期保持保冷性能及良好柔性,不开
裂。
●尺寸稳定性极佳,纳米级特殊结构可抵抗管道伸缩带来的内应力,无需设
置伸缩缝。
●气凝胶材料的疏水性能好,可有效抑制水渗入金属管线表面,防止管线腐
蚀,防止保温材料因渗水而导致保温效果下降。
●材料为无机材料,主要成分SiO2,不含胶黏剂,性能稳定,安全防火,
使用寿命更长。
●材料切割、施工方便,维护成本低。
与现流行较好的保冷材料具体性能对比:
发泡PIR
气凝胶复合毡垫发泡玻璃类
聚三聚***酸脂
导热系数,
~~~
W/(m•K)
容重,kg/m3190150~24050~180
保冷厚度约为1/221
吸水率(vol%)
整体防水,憎水率≥99%,
防水性差,需外防水性差,需外加防
防水性纳米结构能够有效的抵御
加防水措施水措施
结露、结霜
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可成卷材,异形件,柔性普通,可现场发泡,
可施工性很差,损耗高,
好,易施工但发泡均匀性较差
易老化,强度变低,
稳定性一般,寿
超低温稳定性优,预计寿命3-5年稳定性差,6个月
命约2年
到1年需更换
%差差
拆卸时易碎,无拆卸时易碎,无法利
重复利用性拆卸检修时,可重复利用
法利用用
使用厚度为1/2,体积约为
其他1/3,减少25%的辅材费用,
减少管线排布难度。
气凝胶复合保温毡垫与PIR材料的经济对比:(以1km直径100mm的管道计)
气凝胶绝热毡发泡玻璃PIR
预计保冷层
4016080
厚度(mm)
预计表面温
303030
度(℃)
保冷材料体
积(m3)
主要材料费
约1814约7
用(万元)
施工及辅材
约3约8约5
费(万元)
冷损情况约1/321
几乎不维护,使老化严重,每3-6个月
几乎不需要,即使遇到物理
维护情况用寿命到达后,都需要大修,每次维护
损伤,也易于修补
整体更换花费1-2万
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体积小,土石方工程为原先
体积太大,无法体积大,无法制作预制
填埋管道1/3预制管道的话,体积小,
用作预制管道管道
运输成本低。
气凝胶材料在涂料方面的应用
气凝胶涂料的应用现状
涂料行业发展至今,分类越发细化,针对性越发专业。纳米气凝胶复合涂料是跟
随纳米气凝胶材料的发展,而新兴开发出的涂料品种,根据具体使用要求的区别,
又可分成保温隔热涂料,疏水涂料,等不同品种,拥有非常广阔的应用前景。
1、保温涂料是一种新型的保温材料,通过低导热系数和高热阻来实现隔热
保温的一种涂料。气凝胶以其最优秀的保温性能,非常贴合保温涂料的技术要求,
既要保温隔热效果好,又要涂膜薄。目前世界发达国家在这方面的开发应用已经
较为普及,无论是建筑行业,还是工业管道,已有大量应用。国内应用基本上都
是进口国外产品。不同于发射型涂料,保温隔热型涂料对于隔热性能有很高的要
求,而不仅仅只是反射阳光红外线。
2、疏水涂料是把原来的涂料进行改进,具有疏水功能,具有荷叶效果,污
渍容易擦洗,其主要性能有疏水自洁、呼吸透气、弹性修复等功能。现目前几乎
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所有的水性涂料均要添加疏水剂,以增强涂料在这方面的功能。疏水型纳米气凝
胶材料以其很高的疏水率,成为涂料的疏水添加剂的理想材料。
纳米气凝胶材料在涂料方面应用的优势(无论对于保温涂料,或者作为疏水
添加剂)
●环保,对生态环境友好
●应用广泛,施工非常简单方便。
●修复和恢复简单,维护费低。
●厚度1--20mm厚度的保温纤维或50-100mm厚度
的砖石相似的保温效果。
●正常的条件下(-60°С以上200°С以下)纳米保温涂料的寿命是10
年。
防火阻燃性能优良,涂层软化温度260°С以上,燃烧无明火无毒性烟雾产生,
遇火阻燃时间长。
●疏水性好,防水,防止发霉。涂层不受湿度,结露以及温度的影响。
纳米气凝胶涂料的适用范围:
建筑领域:外墙、地板、屋顶、阁楼、保温地板
防霉:木材、水泥
玻璃:高透光、低传热
金属结构:冷库、储藏室、厂房外墙、厂房彩钢顶
工业设备:冷、热水管道
石油煤气管道、石油库
化学产品储罐、存储库、集装箱
山洞隧道:墙面防水、防霉、防潮、保温、自清洁
空调管道、列车客房、冰箱、气象设备
纳米气凝胶涂料与其它材料的对比
纳米气凝胶涂料硅酸铝镁质纤维板
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导热系数mW/mK1240
纳米气凝胶疏水剂有机硅疏水剂
疏水接触角150120
气凝胶材料太阳能方面的应用
在国外,气凝胶用于屋面的太阳能集热器已经有很长时间了。在民用领域,
太阳能热水器及其他集热装置的高效保温,成了能否进一步提高太阳能装置的能
源利用率和进一步提高其实用性的关键因素。随着纳米孔超级绝热材料生产技术
的不断成熟和生产成本的不断降低,该材料首先应用在家庭及单位的太阳能热水
器。将纳米孔超级绝热材料应用于热水器的储水箱、管道和集热器,将比现有太
阳能热水器的集热效率提高一倍以上,而热损失下降到现有水平的30%以下。
平板太阳能集热器的效率与其透明盖板的集热率,发射率息息相关,气凝胶
复合玻璃代替传统玻璃可大大提高集热器效率,可有效降低盖板与吸热板及周围
环境的热损失。
新材料蕴含商机惊人,比如目前我国主要以真空管太阳能集热器,市场占8
0%以上,平板型太阳能集热器市场不到20%,而在国外,平板型太阳能集热
器市场份额占80%以上。
方米的气凝胶材料,每年可实现20亿元的产值。
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气凝胶材料在汽车隔热方面的应用
气凝胶隔热垫的优点:
●发动机及排气管一般温度在350度左右,温度很高,一般车身都是比较紧
凑的不可能有太多的空间来做隔热,因此要求保温层必须要薄。
●隔热材料的使用寿命也是一个很重要的问题。
●引擎盖隔热可保护漆面,冬天保护水箱,同时还有隔音的效果。
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气凝胶材料建筑材料方面的应用
建筑保温的现状:
随着国家对节能减排要求的不断提高,及人们对生活品质的追求,建筑保温
逐渐成为建筑领域的一个重点课题。对于一栋建筑物来说,几乎所有部位,都涉
及到需要保温隔热的问题。包括建筑内外墙,屋顶,地板,玻璃窗户。唯有整体
保温隔热,才能真正的达到节能减排的目的。
目前我国建筑行业选用的保温隔热材料,可谓是品种繁多,应用方法也可谓
是花样百出。其实对于这样的状况,可以理解为所有的选择,都有其局限性,都
不能完美的解决问题。传统保温材料的问题,都出现在性能方面,而气凝胶复合
材料的问题,则是价格方面。
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种类主要优点主要缺点
导热系数高,厚度不够的话起不到保温
膨胀矿石价格很便宜
效果,厚度足够浪费空间
达不到A级不燃,易引起着火,加入大
导热系数较低,厚度可量阻燃剂则影响导热系数。若加工成混
发泡有机材料
相对较薄,不占空间合砂浆类,夹心板类,也造成导热系数
极大上升。
无机纤维类导热系数一般吸潮
导热系数很好,虽然施
真空板类工中必然引入热桥,大易破损,施工难度大
大影响实际隔热性能
隔热性能好,A级不
气凝胶复合材价格贵,可能造成房屋建造成本每平米
燃,防火防霉,施工方
料上升500元
便,几乎完美
在美国市场上,气凝胶复合保温材料最大的应用就是在建筑材料领域。美国
住建部门对房屋的隔热性能有明确严格的规定,开发商们以前为了达到这样的规
定,都必须给房屋内外墙,地板,加装厚厚的保温层,直到气凝胶复合材料的出
现。美国的建筑墙体因此而大幅度变薄,房屋的净空大幅增加,占地变小。而带
来的成本增加,诚实的传递到最终消费者身上,消费者通过计算每年的节能率,
也完全可以接受。
气凝胶材料在客车、救生舱方面的应用
客车,救生舱的保温现状
客车和矿井救生舱的保温都有共同的特点要求,即是要保证仓内温度维持稳
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定,同时仓内空间有限,对保温材料的绝热性能、耐温性能、防腐、强度、耐老
化等各项性能有着极高要求。
目前我国在这方面的保温工程问题比较严重:
●导热系数较高,隔热效果差,空调设备运行能耗较高。
●仓内空间紧凑,对于保温厚度有极高要求,传统材料难以满足要求。
传统保温材料抗压、抗震性能较差,保温仓运行中长期处于震动状态,材料受自
重、震动影响易出现变形、沉降,导致隔热效果降低,增加空调等设备负担。吸
水、吸潮,易导致隔热效果变差,舱内温度达不到设计要求,长期使用还易导致
舱壁腐蚀,金属强度下降等情况。
●隔热性能易衰减,自然粉化导致其使用寿命短,仅3~5年,继续使用将
带来一定安全隐患。
气凝胶材料带来的好处
●超低的导热系数,带来了超薄的保温层厚度,只需原有材料1/3-1/5的体
积,即可达到同样保温效果。仓内留下更多的空间,可提供更多人进入仓内。
●气凝胶整体疏水,有效的防止霉菌生长,保护仓内环境。
●对车辆进行保温的同时,还可以起到吸声降噪、缓冲震动等功能,保护设
备。
●使用寿命长,不含对人体有害物质,绿色环保。
气凝胶材料在日常生活方面的应用
气凝胶复合材料以其绝佳的保温性能广泛应用在睡袋,登山鞋,耐寒帐篷,
防护服等日用品上,相对于其他的材料来说具有最高的保温性能,而且更少的厚
度和重量使其可以具有更多的潮流与设计的方案,优越的灵活性能和疏水性,在
被压着的时候仍然具有很好的热力性能。
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气凝胶材料在军工方面的应用
气凝胶可作为飞机机舱的隔热层材料。可以作为核潜艇、蒸汽动力导弹驱逐
舰的核反应堆、蒸发器、锅炉以及复杂的高温蒸汽管路系统的高效隔热材料,可
以增强隔热效果,降低舱内温度,同时有效降低隔热材料的用量,增大舱内的使用
空间,有效改善各种工作环境。气凝胶隔热材料可以用更轻的质量、更小的体积
达到更好的隔热效果,这一特点在航空、航天应用领域具有极大的优势。气凝胶
可以作为飞机上使用的隔热消音材料。航天飞机及宇宙飞船在重返大气层时要经
历数千摄氏度的高温,保护其安全重回地球的绝热材料正是气凝胶。
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