气凝胶:能改变世界的多功能材料******
展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装
中新社 任海霞摄
【走近超材料①】
编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质,是国际上重点关注的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展,国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来,越来越多的科研人员对超材料产生兴趣,使超材料的设计开发进入了一个崭新的天地。据此,本版推出“走近超材料”系列报道,展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。
气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点,化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来,中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺,开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。
气凝胶是一种超材料,它非常轻,即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前,各种各样的气凝胶被开发出来,它们或柔软或坚硬,或导电或绝缘,应用领域广泛。1月10日,中铁一局集团有限公司表示,河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高,其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说,纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍,可极大提高施工质量和施工效率,降低施工成本。
作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料,气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”,并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后,随着技术的不断创新,气凝胶的应用场景也在进一步扩大。
具有耐高温、高弹性、强吸附等特性
气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料,所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数,甚至可以达到99%以上,具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点,化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。
“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说,其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米,大于气凝胶孔隙的直径,因此空气在气凝胶上流动效率极低,加上气凝胶本身比热容很高,热辐射传递能降到最低,因而具有很好的隔热性能。
气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中,无机气凝胶是以无机物为主体,包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体,主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势,实现气凝胶特殊的功能化。
《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一,并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说,气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中,唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。
气凝胶的制备工艺主要分为两步,即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶,再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态,从而制得气凝胶。
有数据显示,在气凝胶行业的成本结构中,制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说,降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向,目前主要路径之一是自动化产线的落地,而成本降低将会打开更多的应用场景。
生物质基气凝胶成研究热点
据中国石油管道科技研究中心评估,以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例,相比于传统保温材料,气凝胶的保温层厚度可减少2/3,节约能耗40%以上,每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。
数据显示,2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%,另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出,在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料,可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展,气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛,需求量有望持续提升。
气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说,近年来,中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺,开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是,生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富,利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式,因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。
比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶,该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度,都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等,在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料,有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题,是传统不可再生气凝胶的理想替代品。
中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质,将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合,首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控,将纤维素比表面积提高了7个数量级,对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍,体积用量缩减50%—75%,可降解、可再生。
气凝胶发展驶入“快车道”
气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年,国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》,开始对气凝胶进行初步推广应用;2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业;同年9月,第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布;2020年,《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用;2021年,《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出,推动气凝胶等新型材料研发应用。
随着气凝胶应用技术不断成熟,气凝胶发展进入“快车道”。不过,李维科说,目前气凝胶研究仍存在一些问题,比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快,与纤维等增强基体材料的黏结性较差;生产过程中会用到许多有机溶剂,容易造成环境污染;气凝胶难以回收利用,不利于可持续发展等。
此外,气凝胶生产成本高昂,产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出,气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破,也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。
气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说,气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程,未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。(记者 李 禾)
专家提示:贵州疫情已达流行高峰并进入平台期,如何做好个人防护→******url:https://m.gmw.cn/2023-01/04/content_1303244036.htm,id:1303244036
1月4日,记者从省政府新闻办召开的贵州省新冠病毒感染疫情防控工作新闻发布会上获悉,现阶段贵州省疫情已达流行高峰,进入平台期,感染人数将会逐步下降。
“但即将到来的春运、春节,大量外出务工人员返乡,人员流动频繁,聚集活动增多,节假日聚集性疫情以及1月8日‘乙类乙管’后入境新冠病毒感染人员引发的疫情流行不容忽视,疫情形势依然复杂严峻,防控形势依旧不容乐观。”省疾控中心党委副书记、主任杨光红说。
为进一步削峰压峰,杨光红提示大家,在日常生产生活中,应遵守如下防疫规定:
一是符合接种条件的人群应做好新冠病毒疫苗接种。
二是强化“每个人都是自己健康的第一责任人”意识,加强个人防护,科学佩戴口罩,做好手卫生;外出时与他人保持安全距离,不去人群密集、通风不良的场所,尽量减少参加聚会、聚餐等聚集性活动。
三是做好自我健康监测,如出现发热、干咳、乏力、咽痛等症状,密切监测健康状况;出现症状加重时,及时去医疗机构就诊。同住人员感染时,其他人员应做好个人防护,加强症状监测。
四是保持生活规律和充足睡眠,注意咳嗽礼仪;做好居室、工作场所等区域通风换气和清洁消毒,物品保持干净整洁,及时清理垃圾。
此外,春节将至,杨光红也对群众日常生活中,以及春节返乡和春节期间的个人防护,做出了相应提示。
针对日常个人防护,杨光红表示,一是积极接种疫苗,科学佩戴口罩,勤洗手,注意咳嗽礼仪,少聚集。二是保持规律作息、锻炼身体、多喝水、健康饮食、良好心态等健康生活方式。三是居家和工作场所定时开窗通风。做好居室日常卫生。四是出差或旅行前,关注目的地疫情流行情况,做好出行计划。
针对春节返乡个人防护,一是有返乡计划人员,提前准备充足的口罩、免洗手消毒剂等防护物资。二是符合接种条件人群,尽快完成全程接种和加强免疫。三是返乡途中乘坐飞机、火车、地铁、公共汽车、空调大巴等交通工具时,要全程规范佩戴口罩,注意手卫生等个人防护。四是返乡后尽量减少聚餐聚会等人群聚集性活动。
针对走亲访友个人防护,一是应提前接种疫苗,科学佩戴口罩,勤洗手,注意咳嗽礼仪,少聚集。二是坚持科学佩戴口罩,勤洗手,保持安全社交距离、遵守咳嗽礼仪、不随地吐痰等常态化防控措施,即使“阳康”后,也要做好个人防护。三是老人、孩子、有慢性病和孕产妇等重点人群,应尽量不安排远行,减少外出走亲访友,尽量不参加多人聚会,避免前往人员密集场所。四是如果出现发热、咳嗽等症状,应居家,不外出,尽可能减少与家人接触,不接待亲友探访,不走亲访友。
“若感染者为未合并严重基础疾病的无症状感染者、轻型病例,采取居家自我照护。”针对感染者居家期间的相关注意事项,杨光红建议:
感染者居家期间,尽可能待在通风较好、相对独立的房间,减少与同住人员近距离接触,如条件允许使用单独的卫生间。避免与同住人员共用餐具、毛巾、床上用品等日常生活用品。
非必要不外出,避免前往人群密集的公共场所,不参加聚集性活动。如需外出,应全程佩戴口罩。
可根据相关指南合理使用对症治疗药物,做好自我健康监测,尤其老年人、慢性基础疾病患者、孕妇、儿童和伤残人士等特殊人群要密切关注自身健康状况,必要时及时就诊。陪护人员尽量固定,首选身体健康,完成全程疫苗接种及加强接种的人员。
做好居室台面、门把手、电灯开关等接触频繁部位及浴室、卫生间等共用区域的清洁和消毒。使用常规家用清洁产品并按说明使用,注意清洁剂和消毒剂的安全存放。
撰文摄影:贵州日报天眼新闻记者 周雅萌 岳端 周梓颜 陈祖嘉 旷光彪 陈豪