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气凝胶让我们告别“棉衣”
来源:中国化工报 发布时间:2019-1-11 10:28:51

  吉尼斯世界纪录有非常多奇怪的项目,比如说世界上最宽的嘴,最长的指甲,一分钟踢腿24次等等。有一种固体也被列入了吉尼斯世界纪录。它就是气凝胶,又称为干凝胶,在吉尼斯纪录中,它是“世界上最轻的固体”。随着技术的不断进步,气凝胶离我们的生活也是越来越近。

 

  独特性能用途广泛

 

  气凝胶是目前已知的世界上最轻、保温性能最好的固体材料,具有超轻质、极低热导率、高热稳定性、高吸附性、高吸能、隔音等特性,还具有膨胀作用、触变作用、离浆作用,这使其不仅具有良好的延展性,还拥有透气、防火、吸收油和水的优良性质。

 

  由于其具有极好地低声速特性,气凝胶是一种理想的声学延迟及高温隔音材料。气凝胶材料的声阻抗可变范围较大,是一种较理想的超声探测器的声阻藕合材料。气凝胶高孔隙率且超轻质的特点,也使其成为最佳的水声反声材料,例如,在潜艇外壳上使用气凝胶材料可使其具有良好的水声反声效果,又不增加潜艇的重量。

 

  目前浙江大学高分子课题组制备出了一种超轻气凝胶。它刷新了世界上最轻材料的纪录,拥有高弹性和强吸油能力。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克,仅是空气密度的1/6.

 

  由于气凝胶中一般80%以上是空气,所以有非常好的隔热效果,一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间,玫瑰也会丝毫无损。

 

  气凝胶应用领域非常广泛,它可以用于高铁轻量化、环境治理、药物载体等方面,如果用在服装领域,那我们冬天只需要穿一件3毫米厚的气凝胶布料制作的衣服就可以了。

 

  如果在气凝胶表面涂覆各种甲基化合物,其吸油能力就相当于其他市面上销售的吸附剂材料的7倍。它还可以用作建筑物中的隔热或隔音材料,或当涂覆胺基化合物时,就可以成为一个过滤器,用来过滤可重复使用面罩中的灰尘颗粒和二氧化碳。研究人员还在研究改造气凝胶的表面,旨在通过改造使材料吸附有毒气体,如一氧化碳等。

 

  气凝胶因为其表面有成百上千万的小孔,所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。比如碳海绵气凝胶对油具有超快、超高的吸附力,是目前吸油能力最强的材料。吸油量是它自身重量的250倍,最高可达900倍,神奇的是,碳海绵只吸油不吸水。

 

  军工作用无物可替

 

  气凝胶作为一种前沿材料,使其在军工方面得以大展拳脚。

 

  2002年,美国宇航局将航天材料技术转为工业应用,利用超临界技术生产气凝胶毡制品,被称为工业领域革命性的保温方案。此后科研院所、工业企业纷纷开始涉猎气凝胶的研究与应用,国际上迎来了研发气凝胶制品的一个浪潮。

 

  2016年11月3日,我国新一代大运力运载火箭“长征五号”在海南文昌卫星发射中心成功首飞。其中,为火箭燃气管路系统提供隔热保温的,就是我国自主研制的高性能纳米气凝胶隔热毡。气凝胶除了能被应用在航空航天领域,还可应用于石油化工、高铁、油田等领域,目前也正在向民用领域拓展。

 

  气凝胶的最佳用途可能要算用作消防员外套制服的保护性隔热材料。当把气凝胶涂覆阻燃化学品时,就能让宇航服够承受高达620oC的温度。而气凝胶的重量仅为目前消防员外套使用的保护性绝缘材料的10%左右,并且更柔软、更舒适。

 

  防弹是新型气凝胶在军工方面的第二个重要用途。美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试。根据试验室的试验情况来看,如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶,那么,就算炸药直接炸中,对金属片也分毫无伤。

 

  有专家表示,从目前的情况来看美国和中国是全球气凝胶科研、生产、应用领域的主要国家。

 

  民用领域施展拳脚

 

  随着技术的发展,气凝胶在纺织、化工、石化、冶金、管道、热工设备、建筑、航天及军事等领域都具有非常广泛的应用价值与潜力。

 

  气凝胶在建筑领域的应用极其广泛。用两片玻璃夹住一片气凝胶,这种“三明治结构”的气凝胶玻璃可以在不增重、不增厚的前提下,提高建筑性能。气凝胶玻璃具有防火和吸能特性,可改善目前玻璃遇火爆炸、抗风压差等问题,提高建筑的安全等级;气凝胶玻璃的隔热功能,可以让建筑物内“冬暖夏凉”,提高室内舒适度。此外,通过与其他技术结合,气凝胶玻璃还能变色、光伏发电,实现建筑物的个性化建设。

 

  目前,气凝胶作为一种保温非织造布材料,已经开始在建筑上应用。现在,人们已经把气凝胶应用在蒙古包上。使用气凝胶毡作为保温层,只需要50mm的厚度就可以达到75%的节能效果。

 

  随着户外运动兴起,越来越多的人参加到这一潮流中。但常规的臃肿的保暖服装让参加户外运动的人员很难在运动中舒展身躯,而加入气凝胶材料的运动服装就可以很好解决这方面的问题,穿着以后不但有着良好的保温性能,还可方便人员的运动,效果非常理想。

 

  2018年10月9日,Supield素湃科技气凝胶衣服正式上线京东众筹,仅用了8小时,众筹金额便突破百万;产品上线一周,众筹总额已超过六百万。这款利用气凝胶制造的服装,面料的重量仅有60g/m2,厚度仅0.5mm,热导系数达0.0191(W/(m.K),真可谓是“轻若鸿毛、薄如蝉翼、暖若晗阳”。这种具有独家专利的纺织专用气凝胶复合保暖材料,可以依靠仅仅3mm的厚度,抗衡-196℃的严寒,保温效果远超40mm厚羽绒服。这款面料成功生产为服装开始推向市场,可以说是掀起了一场服装界的材料革命。

 

  据介绍,这款气凝胶服装在零下173℃的液氮喷射测试中,衣服的内部温度仍可保持在28℃左右,而在20℃气温下穿着时,也依然能保持舒适体感而不过热。据了解,目前这款衣服的售价在2000元左右,价格已经降低到公众可以接受的程度,受到了消费者的追捧,市场反响火爆。

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