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基于网络大数据的气凝胶材料研究方向及潜在市场价值

来源:知实学术 分类:科技论文 发布时间:2021-06-29 浏览:

  本文以中国知网(CNKI)网络数据为依据,对目前气凝胶[1-4]产品的研发及应用进行了分析,为企业研发新产品和开展产业化生产指明了方向。

  1 我国气凝胶研究文献概况

  根据CNKI 2003年至2021年3月13日数据显示,涉及气凝胶新材料研究方向的学术论文达1.96万篇,学位论文2762篇,会议论文663篇,报纸文刊20篇,相关图书著作12部,建立标准1件,知识产权成果110件。具体情况见图1。

复合材料学报

  《复合材料学报》本刊主要刊载我国复合材料基础研究和应用研究方面具有创造性、高水平和具有重要意义的最新研究成果的论文。刊载范围:纤维、织物、颗粒或晶须增强聚合物基、金属基、陶瓷基等复合材料及其复合薄膜或复合涂层材料。

  从图1可知,2003年以来,中国累计发表气凝胶研究文献23 025篇。这个数据显示气凝胶新材料吸引了众多的科研工作者关注并进行了比较深入的研究。这个数据仅是总量的数据,可能体现不出气凝胶被科研界重视和关注程度,那么通过搜索另一个数据来说明气凝胶材料受关注程度,即年度相关气凝胶发表文献数量进行对比(如图2)。

  图2显示,气凝胶研究的文献数量从2003年开始逐年增加,尤其从2015年开始文献发表数量显著增加,这说明从2015年以后气凝胶材料开始具有了社会认可的经济价值和材料的先进性认可,引起了科研界的关注。数据显示未来将有更多的科研工作者参与到气凝胶材料的研究工作中。

  2 气凝胶功能性研究

  CNKI文献现有研究显示,气凝胶材料的特殊功能[5-8]包含但不局限于热效应、光电效应、压电效应、介电效应、磁效应、力学效应、高化学性和表面活性等[9-11]。虽然气凝胶材料具有较多功能性,但目前研究主要集中在热效应应用方面以及充分利用其绝热性、表面活性和高化学性的催化领域应用方面(如图3)。

  图3显示,目前气凝胶的研究[12-15],主要集中在气凝胶材料催化、绝热、生物医药3个方面。同时,数据显示在绝热研究方向已经建立了相关标准,说明气凝胶材料在绝热研究方面已经趋于工业化。另外,在生物医药方面文献数量,显示了气凝胶材料在生物医药方面存在巨大的经济市场。另外,科研工作者正逐步开发气凝胶材料的其他特性应用。

  如中国科学技术大学俞书宏教授课题组以壳聚糖作三维软模板[16],研发了一种酚醛树脂(PFR)与二氧化硅(SiO2)共聚和纳米尺度相分离的合成新策略,成功研制了具有双网络结构的PFR/SiO2复合气凝胶材料(如图4)。该复合气凝胶纤维的尺寸在20nm以内,具有双网络结构的树枝状的微观结构,且2种组分各自都成连续的网络。同时实现了有机、无机组分在纳米尺度上的均匀分散,并且2组分间具有很强的界面相互作用。研究人员通过调控硅源的添加量,调控复合气凝胶的密度、无机含量、力学强度等物理参数。

  经研究,这种复合气凝胶材料可以承受60%的压缩而不破裂,具有一定的机械强度和可加工性。该复合气凝胶具有良好的隔热效果,最低热导率可达24mW/(m·K),在相对低温和低湿度的环境下,其热导率维持在28mW/(m·K),性能优于传统的发泡聚苯乙烯等材料。同时,这种材料在防火方面展现出优异的性能,可以避免在发生火灾时建筑物承力结构的失效,为人员撤离争取了时间。

  3 气凝胶材料细分领域的研究

  气凝胶材料按照有机无机分类可分为有机气凝胶和无机气凝胶,按照材料中的主要成分又有SiO2气凝胶、石墨烯气凝胶等。对于细分领域的研究状况,本文仅抽取了关注度较高的SiO2气凝胶、石墨烯气凝胶和有机气凝胶(大类)进行分析(如图5)。

  图5数据显示,除目前已开始逐步工业化的SiO2气凝胶材料研究比较火热外,石墨烯气凝胶材料的研究也异常火爆。无论在学术期刊还是在学位专业选修方面都引起科学工作者的高度关注,并投入了大量精力。石墨烯气凝胶材料引起科学工作者高度关注的主要原因是,石墨烯本身是一种关注度极高的新材料,而气凝胶新材料又被誉为21世纪超级新材,强强结合必然會提升石墨烯气凝胶材料所特有性能及其未来应用的经济价值。虽然目前还没有石墨烯气凝胶材料工业化生产案例,但预计未来可能会占据主导市场。

  通过对相关文献分析,石墨烯气凝与不同新材料复合,开发并优化材料特性的思路,开拓了气凝胶材料研究的新篇章。

  李晓明[17]等制备铜@石墨烯气凝胶(Cu@GA)作为相变储能骨架材料。在这一结构设计中,石墨烯气凝胶中的石墨烯片层上均匀地镀上了铜层,且不同片层之间被铜镀层所连接。这种铜镀层不但增强石墨烯气凝胶网络结构,并赋予复合材料良好的导热性和骨架稳定性,有利于增强相变换热和抑制相变过程中的泄漏。此外,通过真空浸渍法将十八胺(ODA)封装在Cu@GA骨架中,获得了结构稳定性高、泄漏率低的复合相变材料(Cu@GA/ODA),保证了ODA在Cu@GA骨架材料中的均匀分散和填充。图6展示了复合相变材料(Cu@ GA/ODA)的制备过程及应用研究。

  此外,其他科学工作者也对石墨烯气凝胶进行了大量的研究,在导电、电化学、催化、新能源等方面都取得很大进展。

  目前,有机气凝胶方面的研究数量虽然较少,但有机材料充斥人们的生活,有机气凝胶的材料的研究必然赋予有机材料更多功能,有机气凝胶材料也将会成为材料细分领域工业化最多的产品形式之一。

  4 气凝胶工业化产品研究

  目前,工业化气凝胶产品形式主要有:气凝胶毡、气凝胶纤维、气凝胶粉体、气凝胶板、陶瓷气凝胶、气凝胶芯材等。

  图7显示目前工业化方面,气凝胶纤维研究相对较多,其次是涂料类,气凝胶毡和板材等相对较小。说明纤维类的工业产品及涂料类气凝胶产品具有非常好的市场前景及应用前景。

  5 氣凝胶产品市场状况

  国内国外目前气凝胶产品市场占比较大的依然是较成熟的SiO2气凝胶毡。2020年,气凝胶毡国外市场达到近20亿美元,国内市场达到近40亿元(如图8、9所示)。数据显示仅气凝胶毡市场就是个巨大的蛋糕,并且从2013年开始气凝胶毡的市场规模呈现线性上升趋势。

  通过气凝胶毡市场价值分析,可以预计未来整体气凝胶产品市场将是一个巨大的经济蓝海市场。

  6 结语

  通过对网络大数据进行分析,气凝胶材料的优异特性不仅引起科研工作者的高度重视,并在今后的研究中持续高密度开发。

  目前气凝胶的研究,主要集中在气凝胶材料催化、绝热、生物医药3个方面。其中气凝胶材料在绝热研究方面已趋于工业化。另外,在生物医药和催化方面也取得了很大进展。

  气凝胶材料细分行业中,SiO2气凝胶、石墨烯气凝胶材料、蕴含巨大的市场价值。其中石墨烯气凝胶与不同新材料复合,开发并优化材料特性的思路,开拓了气凝胶材料研究的新篇章。

  最后,以SiO2气凝胶毡材的市场价值为依据,预测整体气凝胶材料市场将是一个巨大的蓝海经济市场。未来,将有更多的科学工作者和企业参与到气凝胶材料产品的开发和应用中。

  10.19599/j.issn.1008-892x.2021.02.015

  

 

  参考文献

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