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气凝胶:百亿美元空间的新材料赛道,中国化工网,okmart.com
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气凝胶:百亿美元空间的新材料赛道
2021年01月13日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

1. 气凝胶概述

气凝胶是一种隔热性能优异的固体材料,具有高比表面积,纳米级孔洞,低密度等 特殊的微观结构,基于这些结构在热学方面表现出优异的性能。它的导热率 ~0.012mw/mk、密度~0.16mg/cm3、比表面积在 400-1000m2 /g、孔隙率为 90-99.8%, 它化学性能稳定,内部体积 99%由气体组成,是目前已知密度最小的固体。

气凝胶:百亿美元空间的新材料赛道 中国化工网,okmart.com

1.1. 气凝胶的产业化日趋成熟


气凝胶从发现至今已经经历过三次产业化,目前正处在第四次产业化浪潮的快速发 展中中国化工网okmart.com。气凝胶诞生于 1931 年,由 Steven.S.Kistler 在 Nature 杂志上发表《共聚扩散 气凝胶与果冻》标志着气凝胶的发现。也正是 Kistler 首次通过乙醇超临界干燥技术, 制备出世界上第一块气凝胶—SiO2 气凝胶。


第一次产业化发生在 20 世纪 40 年代早期,但是由于高昂的成本,第一次产业化最 终失败。美国孟山都公司(MonsantoCorp.)与 Kistler 合作生产名为 Santocel 的气凝 胶粉体,用来作化妆品、硅橡胶添加剂、凝固汽油增稠剂等。但因为高昂的制造成 本及应用开发的滞后,孟山都公司于 20 世纪 70 年代终止了气凝胶项目。


第二次产业化浪潮中,出现了不同技术方向的典型代表。(1)1984 年,瑞典 Airglass 公司使用甲醇超临界技术,该材料用于切伦科夫探测器;(2)1989 年,美国 Thermalux 公司使用 CO₂ 超临界技术,由于经营不善,项目终止;(3)1992 年,德国 Hoechst 公司以常压干燥技术生产气凝胶粉体,推动其在隔热涂料、消光剂等多个领域的应 用;(4)2003 年,同济大学开始发表常压干燥的研究论文,中国技术工作者在常压 干燥领域的投入逐步增多。


第三次产业化发生在 21 世纪初,在这次产业化中诞生了著名的 Aspen Aerogel 和 Cabot 公司。1999 年美国 Aspen Systems 公司承接美国宇航局的课题,成功制备出 纤维复合的气凝胶超级绝热材料。2001 年正式成立了 Aspen Aerogel 公司进行气凝胶的商业化运作,开始将气凝胶绝热毡推广应用至航天军工、以及石化领域。由此 开启了气凝胶材料第三次产业化浪潮,气凝胶终于找到了一个好的商业化产品模 型。2003 年全球领先的特种化学品和高性能材料公司 Cabot 通过兼并德国 Hoechst, 掌握了常压干燥制备 SiO2 气凝胶材料的生产技术,成立了气凝胶专业公司,主要产 品为气凝胶粉体颗粒,作为涂料添加剂或采光玻璃中的填充层应用。2004 年国内开 始出现从事气凝胶材料产业化研究的企业。


第四次产业化主要发生在国内,随着气凝胶工艺成本的降低和产业规模的不断扩 大,一些新兴应用不断开发出来,气凝胶市场日益成熟。2010 年开始,国内首批气 凝胶生产企业陆续成功开拓了工业设备管道节能、新能源汽车安全防护、轨交车厢 及船体防火隔热保温的应用市场。2017 年,我国发布了《纳米孔气凝胶复合绝热制 品》(GB/T34336-2017)国家标准;同年,气凝胶被列入国家重点节能低碳技术推 广目录。2019 年,我国气凝胶产量 7.82 万立方米,2019 年我国气凝胶市场规模约 为 11.23 亿元。


1.2. 国内气凝胶产业逆境崛起


气凝胶产业逆境崛起,国内不断重视并快速发展。2016 年,美国阿斯彭气凝胶股份 有限公司(Aspen Aerogels)向美国国际贸易委员会(ITC)提起了 337 调查申请, 称来自中国的两家企业的产品侵犯其复合气凝胶隔热材料和制造方法相关的专利 权,请求 ITC 发布一般排除令(或有限排除令)和禁止令。2018 年,ITC 对气凝胶 隔热复合材料及其制造工艺做出 337 调查部分终裁:裁定两家中国公司存在侵犯知 识产权的行为。此次调查事件引起了国内气凝胶行业及科研人员对气凝胶专利产权 的高度重视。


2010 年之后专利和申请人数量增长迅速。从专利检索数据来看,气凝胶专利申请中 年度新增的申请人数量逐年快速增加,每年有大量新增申请人涌入气凝胶领域。从 国内气凝胶专利申请人排名来看,排名前二十位的,三分之二为高校和科研院所, 企业申请人相对较少,且平均专利申请数量不到 50,授权发明量更少。从发明专利 的技术方向来看,目前主要集中在气凝胶制备工艺及设备上,这也是气凝胶产业化 的需要重点突破的方向。从国内气凝胶专利申请情况来看,气凝胶产业目前处于产 业化初期,已经有大批企业和研发机构涌入这一领域。


政策支持逐步明确,气凝胶推手频出。国际顶级权威学术杂志《科学》杂志在第 250 期将气凝胶被列为十大热门科学技术之一,称之为可以改变世界的多功能新材料。2014 年和 2015 年,发改委连续两年将气凝胶材料列为《国家重点节能低碳技术推 广目录》,开始了对气凝胶材料的初步推广应用。2018 年 6 月气凝胶被列入建材新 兴产业,同年 9 月发布第一个气凝胶材料方面的国家标准,2019 年 12 月国家发改 委发布文件鼓励气凝胶节能材料,2020 年 11 月,《气凝胶保温隔热涂料系统技术标 准》启用,有利于规范气凝胶保温隔热涂料在建筑工程中的应用,为建筑领域新建、 扩建和既有建筑改造工程中气凝胶应用的设计、施工和验收提供了技术保证。


据中国石油管道科 技研究中心评估,以 350℃蒸汽管道的保温应用为例,相比于传统保温材料,气凝 胶的保温厚度减少 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。


随着气凝胶行业进入企业不断增多,产品应用不断扩宽,市场规模不断扩大,技术 研发速度加快,产品价格显著降低,行业领先的公司进入快速增长阶段,目前国内 尚没有一家企业形成稳固的龙头地位,掌握低成本核心技术和一定市场资源的企业 将获得巨大发展空间,整个行业将进入快速发展的窗口期。


1.3. 气凝胶的种类


气凝胶可分为无机气凝胶、有机气凝胶、混合气凝胶和复合气凝胶。常见的气凝胶 主要是硅气凝胶、碳气凝胶和二氧化硅气凝胶,新进发展的气凝胶主要是氧化石墨 烯气凝胶、富勒烯气凝胶和纤维/二氧化硅气凝胶。


目前市场上常见的以及研究较多的可分为氧化物气凝胶材料、炭气凝胶材料(耐高 温性可达 3000℃)和碳化物气凝胶材料。


1.3.1. 氧化物气凝胶材料


氧化物气凝胶材料在高温区(>1000℃)容易发生晶型转变及颗粒的烧结,其耐温 性相对较差,但是其在中高温区(<1000℃)具备较低的热导率。氧化物气凝胶材 料主要有 SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、CuO 等。


1)SiO2 气凝胶材料


SiO2 气凝胶是目前隔热领域研究最多也是较为成熟的一种耐高温气凝胶,其孔隙率 高达 80%~99.8%,孔洞的典型尺寸为 1~100nm,比表面积为 200~1000m2 /g,而密度 可低达 3kg/m3,室温热导率可低达 12m.W/(m〃K)。SiO2 气凝胶材料通常是将与 红外遮光剂以及增强体进行复合,以提高 SiO2 气凝胶的隔热和力学性能,使其既具 有实用价值的纳米孔超级绝热材料,同时还兼有良好的隔热和力学性能,主要应用 于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。常用的红外 遮光剂有碳化硅、TiO2(金红石型和锐钛型)、炭黑、六钛酸钾等;常用的增强材料 有陶瓷纤维、无碱超细玻璃纤维、多晶莫来石纤维、硅酸铝纤维、氧化锆纤维等。


2)ZrO2 气凝胶材料


与 SiO2 气凝胶材料相比,ZrO2 气凝胶的高温热导率更低,更适宜于高温段的隔热 应用,在作为高温隔热保温材料方面具有极大的应用潜力。ZrO2 气凝胶材料的孔径 小于空气分子的平均自由程,在气凝胶中没有空气对流,孔隙率极高,固体所占的 体积比很低,使气凝胶的热导率很低。目前关于 ZrO2 气凝胶应用于隔热领域的报道 还比较少,研究者主要致力于 ZrO2 气凝胶制备工艺的研究。


3)Al2O3 气凝胶材料


氧化铝气凝胶材料具有纳米多孔结构、使其具有更轻质量、更小体积达到等效的隔 热效果,同时具有高孔隙率、高比表面积和开放的织态结构,在催化剂和催化载体 方面具有潜在的应用价值。氧化铝气凝胶还可用作高压绝缘材料,高速或超速集成 电路的衬底材料,真空电极的隔离介质以及超级电容器。


1.3.2. 炭气凝胶与碳化物凝胶材料


炭气凝胶最大的特点就是其在惰性及真空氛围下高达 2000℃的耐温性,石墨化后耐 温性能甚至能达到 3000℃,而且炭气凝胶中的炭纳米颗粒本身就具备对红外辐射极 好的吸收性能,从而产生类似于红外遮光剂的效果,因此其高温热导率较低。但是 在有氧条件下,炭气凝胶在 350℃以上便发生氧化,这使得其在高温隔热领域的应 用受到了极大地限制。随着 SiC、MoSi2、HfSi2、TaSi2 等高抗氧化性涂层的发展, 在炭气凝胶材料表面涂覆致密的抗氧化性涂层,阻止氧气的进一步扩散,将使该材 料具备极大的应用前景。


碳化物材料具备极好的抗氧化性能,但是其本身热导率较高,将其制成含有三维立 体网络状结构的气凝胶,可以极大地降低材料的热导率,进一步提高材料的隔热性 能。目前国内外对于碳化物气凝胶的研究还相对较少,特别是对于成形性良好的块 状碳化物气凝胶的研究尚处于初始阶段,对于其作为高效隔热材料的研究也较为匮 乏,仅限于对该材料的制备与表征。


1.4. SiO2气凝胶的制备


由于 SiO2 气凝胶是目前产业化最成熟的产品,该类气凝胶的制备包括两种方法:干 燥法和溶胶-凝胶法。目前产业化中主要使用的技术是干燥技术。


1.4.1. 干燥技术


目前产业化中主要使用的技术是超临界干燥技术和常压干燥技术,其他尚未实现批 量生产技术还有真空冷冻干燥、亚临界干燥等。


超临界干燥技术是最早实现批量制备气凝胶技术,已经较为成熟,也是目前国内外 气凝胶企业采用较多的技术。超临界干燥可以实现凝胶在干燥过程中保持完好骨架 结构。


常压干燥技术一种新型的气凝胶制备工艺,是当前研究最活跃,发展潜力最大的气 凝胶批产技术。其原理是采用疏水基团对凝胶骨架进行改性,避免凝胶孔洞表面的 硅羟基相互结合并提高弹性,同时采用低表面张力液体臵换凝胶原来高比表面积的 水或乙醇从而可以在常压下直接干燥获得性能优异的气凝胶材料。


相比超临界干燥技术,常压干燥技术在设备投入、硅源上均具有显著的成本优势, 在技术上存在一定的门槛,适合于后期气凝胶的大规模量产。


1.4.2. 溶胶-凝胶法


通过硅源物质的水解和缩聚获得具有三维网络结构的 SiO2 凝胶,反应生成以 ≡Si-O-Si≡为主体的聚合物,再经过老化阶段后,形成网络结构的凝胶。在凝胶形成 的过程中,部分水解的有机硅发生缩聚反应,缩聚的硅氧链上未水解的基团可继续 水解。通过调节反应溶液的酸碱度,控制水解-缩聚过程中水解反应和缩聚反应的相 对速率,可得到凝胶结构。在酸性条件下(pH=2.0-5.0),水解速率较快,有利于成 核反应形成较多的核;在碱性条件下,有利于核的长大及交联,易形成致密的胶体 颗粒。强碱性或高温条件下 SiO2 的溶解度增大,使最终凝胶结构形成胶粒聚集体。


1.4.3. 气凝胶改性赋予其更强性能


气凝胶材料本身具有强度低、脆性高的缺点,为了克服这一缺点,需要对气凝胶材 料进行改性,这是目前最重要的工艺,通过改性可赋予气凝胶材料不同性能。目前 气凝胶材料改性最常用的方法就是掺杂,即加入掺杂剂或者增强/增韧材料,制备 复合气凝胶材料。


复合气凝胶材料的制备方法通常有两种:一种是在凝胶过程前加入掺杂材料;另一种是先制备气凝胶颗粒或者粉末,再加入掺杂材料和黏结剂,经模压或注塑成型制 成二次成型的复合体。常用的掺杂材料有玻璃纤维、莫来石纤维、岩棉、硅酸铝纤 维等。掺杂材料种类的选择主要依气凝胶复合材料的应用目的而定。


气凝胶可与玻璃纤维、陶瓷纤维或者碳纤维进行复合,提高体系的结合力,使表面 不易脆裂粉化。常见的产品如,气凝胶玻璃纤维毡、气凝胶陶瓷纤维毡、预氧化纤 维等,该类产品主要应用于管道炉体等保温隔热,可取代聚氨酯泡沫、石棉保温垫、 硅酸盐纤维等不环保、保温性能差的传统柔性保温材料。


在气凝胶基体材料表面与更高强度与韧性的材料进行复合,可提高整个材料体系的 强度,拓宽更多的应用领域。纯纤维毡虽然有隔热效果,但是表面纤维容易断裂粉 化,造成浮纤或粉末污染,不适合长时间在高温、压缩和振动条件下使用。为解决 该问题,市场上出现了一种新的气凝胶材料复合办法。在气凝胶复合层的外部覆盖 一层更高强度、高韧性的材料如膨体聚四氟乙烯和阻燃 PET 纤维的复合层,这类材 料能够应用在汽车隔热等特殊领域。


气凝胶材料也可用作涂覆材料,在基体表面添加隔热保护。将气凝胶颗粒以及粘合 剂、阻燃剂、发泡剂进行混合制备出气凝胶粘合剂组合物,并在气凝胶涂料表面再 涂覆热反射层面,可大幅提升原材料的耐热性能。


气凝胶材料也可与阻燃剂协同使用,获得更好的阻燃性的同时也能够提高材料的强 度和韧性。有一种 Sb2O3-SiO2 复合气凝胶无机阻燃剂,具有较大的比表面积,其与 塑料,橡胶等高分子聚合物基体产生了牢固的界面粘合力,提高了复合气凝胶阻燃 剂在聚合物熔体中的分散性、流动性,提高了阻燃效果,减少了因添加无机类阻燃 剂给聚合物基体造成的力学性能的损失。


气凝胶材料也可与纺织纤维如无纺布、聚酯短纤、尼龙等制作成衣服面料,该面料 可用于羽绒服、棉袄、户外用品、防火服、宇航服及特种作业服等领域。该材料拥 有良好的保温性、隔热性、耐磨性、防水性、防风型,导热系数低于 0.05W/(m〃K), 比羽绒羊毛导热系数还低。


2. 气凝胶应用广泛,处于生命周期的成长期

气凝胶材料由于其优异的保温隔热性能,应用领域广泛,主要分布在能源设备、交 通、建筑材料、服装等领域,潜在规模巨大,我们判断全球市场空间在百亿美元以 上。


整体处于生命周期的成长期,多领域蓬勃发展。据 IDTechEX Research 提及,由于 气凝胶技术近年来才逐渐进步,目前大多数应用领域仍处于气凝胶推广的早期及成 长期,区域能源、建筑建造、服装、日化、LNG 管道等领域发展较快。目前应用相 对成熟的领域主要是油气管道(LNG 管道除外)、炼化项目、工业隔热等。


建筑建造、交通领域将会获得更快增长。2019 年气凝胶下游大部分应用集中于油气 项目(56%)、工业隔热(26%),该两部分市场占比 82%,建筑建造占比 6%,交通 项目占比 3%。而 IDTechEX Research 分析,2024 年建筑建造领域的占比将会提升,应用占比预计较原来提升一倍,占比接近 12%,到 2029 年,建筑建造占比将会达 到接近 18%,交通领域也会提升至 5%,而传统油气领域占比将降低到 41%,建筑 建造以及新兴领域将成为主要消费驱动。


2.1. 能化领域是目前最大下游,保温防水应用成熟


气凝胶材料在能化领域主要应用在能源基础设施的外保温材料,包含蒸馏塔、反应 管道、储罐、泵、阀门的保温材料,天然气和 LNG 液化气管道的保温材料,深海 管道保温材料,发电厂设备保温材料等。


气凝胶的疏水性可以使管道的保温层防水,并防止温差引起的凝结反应,当气凝胶 具有相同的保温效果时,气凝胶保温层所需的厚度或间距较小,综合成本显著降低。 管道保温应用环境复杂,既有室内保温,也有室外保温,还有直埋管道保温。与室 内外管道保温相比,气凝胶毡作为保温材料在直埋管道保温中的应用凸显了气凝胶 的突出特点,既可以减少保温层的厚度,又减少土方工程量和工期。这两项的成本 下降可以完全抵消选择气凝胶作为保温材料的成本。


与传统保温材料复合,有望达到最佳经济性。气凝胶主要应用领域为隔热保温,而 作为尚未大规模普及的新型材料,气凝胶保温材料的劣势在于价格较高,初始投资 较大。但由于其优异的耐老化性、尺寸稳定性、疏水性、隔热性能及易于施工的优 势,其在投入使用一定的时间后,就会体现出综合优势。根据中国石油管道科技研 究中心研究,将三种保温方案对蒸汽管道以及地上管道上气凝胶材料与传统保温材 料的保温性能、初始投资费用、以及运行维护成本进行了对比,发现在管道上使用 气凝胶材料较传统保温材料具有较大综合优势。使用气凝胶材料所节约的能源和运 行维护费用(主要指更换传统保温层的材料和人工费用),可在 2~4 年内超过初期 多花费的投资。在随后的利用过程中,可持续因能源节约和减少保温层更换次数为 管道运营商节省开支。此外,当管道内外温差较大、年加热时长较长、加热燃料或 电能涨价时,复合使用气凝胶材料和传统保温材料的效果更好。


气凝胶材料方便施工,提高施工效率 30%以上。将气凝胶毡切割成一定尺寸后,会 产生一定程度的弧度,可直接放臵在管道上安装固定。气凝胶毡轻巧、硬度一定、 柔韧性强、不易破碎、切割非常方便。与传统保温材料相比,施工效率提高 30%以 上,也避免了传统保温材料后期使用不便维护的担忧。


虽然气凝胶保温的初期投资较传统材料偏高,但其诸多的优良性能、持久的节能收 益、显著的绿色环保优势,使之成为一种综合性价比较高的节能产品。高温蒸汽、 导热油以及工艺流体介质管线是热电、炼油、化工等领域至关重要的设备,管道常 年暴露于空气中,其热损失占整个厂区自然热损失的绝大部分,且所输送介质能量 保持率直接关系到产品的保质保量水平,所以选用优良的保温材料至关重要。目前 全球大型石化企业如埃克森美孚、壳牌、雪佛龙、中石油、华昌化工等公司炼厂均 大量采用气凝胶材料作为保温材料。


国内大炼化产业快速崛起,气凝胶应用场景放大。据资料显示,2019 年我国炼油能 力已超过 8.5 亿吨,2020-2023 年,我国将新增炼油能力 1.65 亿吨,增长 19.4%,全 球 2020-2025 年将会新增炼能约 2.67 亿吨,中国以及全球炼能的扩张将为气凝胶复 材带来一定的增长空间。


能化领域是目前气凝胶材料主要的应用市场,根据 Aspen Aerogel 19 年年报预测, 能化领域的全球市场空间约 31 亿美元。


2.2. 新能源将成为交通领域主要增长引擎


气凝胶材料不但能够解决目前三元电池体系及其它电池体系的安全问题,也能够发 挥阻燃性能应用于汽车内饰材料中。


2.2.1. 动力电池应用呼之欲出,有望解决安全痛点


气凝胶高温耐受能力解决三元电池安全痛点。当车载电池长时间输出电能后,电池 内长时间进行化学反应会使得电池体明显发热,存在燃烧、爆炸的风险。传统的芯 模组都是采用塑料隔板将电池相互隔开,并没有实际用处,这样不仅重量大还无法 起到保护作用,且容易造成电池温度过高导致隔板溶解、着火等问题。现有的采用 的防护毡结构简单,容易变形,使其不能很好地与电池组全面接触,且在电池发热 严重时其并不能起到很好的隔热效果,而气凝胶复合材料的出现有望解决这一痛 点。


三元电池对安全性要求更高。其优势在于储能密度和抗低温两个方面:1)储能密 度,三元锂电池能量密度在 170-200Wh/kg,后期能量密度还会进一步提升,而磷酸 铁锂电池能量密度为 140-160Wh/kg;2)低温使用性能,三元锂电池低温使用下限 值为-30℃,磷酸铁锂电池低温下限值为-20℃,在相同低温条件下,三元锂电池冬 季衰减不到 15%,磷酸铁锂电池衰减高达 30%以上。但由于三元电池能量密度更高, 电池的稳定性和安全性相对较差,在使用时更依赖高性能的阻燃材料来增强三元电 池体系的安全性能。


动力电池发展迅猛,三元电池占主要份额。数据显示,2020 年 1-7 月,我国动力电 池装车量累计 22.5GWh。其中三元电池装车量累计 15.9GWh,占总装车量 70.6%;磷酸铁锂电池装车量累计 6.5GWh,占总装车量 28.8%,预计 2025 年全球三元正极 出货量达到 150 万吨。


气凝胶复合材料作为阻燃材料,相比于传统阻燃材料具有质轻、阻燃性能优异、环 保性能好等优点。目前新能源汽车蓄电池芯模组采用隔热阻燃材料主要有两种:1) 塑料类 PP、ABS、PVC 等,其中以 ABS 工程塑料为主,通常将阻燃剂添加进 PP、 ABS 等塑料制成阻燃塑料;2)玻璃纤维、陶瓷纤维棉等防火类材料制成的防火毡。气凝胶作为一种新兴材料,具有优良的绝热阻燃性能,将气凝胶与工程材料复合而 成的气凝胶复合材料具有极为优异的阻燃性能。泛亚微透开发的 SiO2 气凝胶玻纤毡 复合材料,该类材料在常温 25℃环境下,导热系数可以达到 0.017W/(m〃k)以下, 在 600℃高温环境下,导热系数介于 0.047~0.066W/(m〃k)之间,它能够将电池包高 温耐受能力提高至 800℃以上。


该类气凝胶复合材料可以耐受住电池包短路造成的高温能量瞬间冲击,更好地解决 动力电池安全问题。根据《电动客车安全技术条件》要求,可充电储能系统(或安 装舱体)与客舱之间应使用阻燃隔热材料隔离,该材料的燃烧性能应符合 GB8624-2012 中规定的 A 级不燃要求,并且在 300℃时导热系数应小于等于0.04W/(m〃k)。专利 CN210136903U 中公布了一种用于新能源车电池中的二氧化硅 气凝胶毡制品。其二氧化硅气凝胶毡层的各个表面均由高硅氧玻璃纤维布层包覆连 接,包覆开口处通过高硅氧线连接。该材料达到了新能源汽车要求的 UL94 的 V0 级不燃的性能指标,在 400℃时的导热系数小于等于 0.04W/(m•k),在 800℃高温 下能够长期工作,满足了锂离子动力电池芯在发生撞击短路或过冲电发热自燃的条 件下,隔离耐受故障电池芯瞬间释放的高温能量,使得电池芯自燃起火不再扩大延 展。


预计 2025 年气凝胶复合材料在国内新能源汽车市场的潜在规模约 6.28 亿美元。根 据 Aspen Aerogel 19 年年报,气凝胶材料近年平均价格约为 30 美元/平方米,每辆 新能源汽车约需要 2-5 平方米的气凝胶复合材料,则每辆新能源汽车平均需要价值 105 美元的气凝胶复合材料。根据《新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)》中 要求,2025 年时,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的 20%左右,工业 和信息化部副部长辛国斌表示,按照规划每年的年复合增长率必须达到 30%以上。


预计 2025 年气凝胶复合材料在全球新能源汽车市场的潜在规模约 15.75 亿美元, 2030 年达到 31.50 亿美元。新能源汽车也是全球主流发展方向,根据主流车企的规 划目标,对应全球销量在 2025 年将接近 1500 万辆,在 2030 年将达到 3000 万辆。


2.2.2. 汽车传统应用亦存在优化空间


气凝胶阻燃复材不仅有更好的阻燃性能和疏水性能,还可以增强材料基体的强度使 其韧性得以提高。二氧化硅气凝胶经过特定改性后可具有较大的比表面积,其与塑 料、橡胶等高分子聚合物基体产生了牢固的界面粘合力,提高了复合气凝胶阻燃剂 在聚合物熔体中的分散性、流动性、提高了阻燃效果,其中改性后的橡胶热稳定性、 热分解温度均有不同程度提高。


气凝胶材料可添加阻燃剂协同使用,共同制备出性能更加优越的阻燃材料,潜在市 场空间也较大。气凝胶阻燃材料也可广泛的应用于不同场景,如汽车的不同部位, 如座椅阻燃内衬以及车身阻燃内衬,可对传统隔热阻燃材料进行替代。其阻燃性可 遏制火势蔓延,低烟密度特性会降低火灾的杀伤力,大幅降低火灾隐患,保护乘客 安全。


2.3. 建筑建材赛道大,有望成气凝胶渗透最快领域


气凝胶在建材领域主要应用于墙体保温材料、保温涂料以及节能玻璃中,面向新建 建筑和既有建筑节能改造两大场景。我国日渐完善的建筑能耗标准和逐步建立的建 筑节能运行监管体系将推动建筑墙体保温材料行业快速发展;近年房地产市场向着 高质量迈进,开发投资增速连年保持在 10%左右,将带动保温建材市场快速发展。我们对市场空间进行中期估算,未来十年我国气凝胶用在建筑建材的潜在市场规模 约 29 亿美元,其中墙体保温材料为主要部分,约 20 亿美元。


2.3.1. 内外墙渗透率将显著提升


根据使用位臵的不同,建筑的墙体保温材料一般可以分为外墙保温材料和内墙保温 材料,气凝胶的应用可以大大提升墙体的保温和阻燃性能,并且能够降低环境影响。


预计到 2030 年,用于外墙保温的气凝胶材料国内市场规模为 11 亿美元;用于内墙 保温的气凝胶材料国内市场规模为 9 亿美元,合计 20 亿美元。


气凝胶外墙保温材料适用于有轻量化、绿色化需求的高端建筑以及有严苛保温要求 的特种建筑,应用前景乐观,测算潜在市场规模将达到 11 亿美元。外墙保温材料 按照可燃程度分为 A、B1、B2 和 B3 共四个等级,目前在建筑上常用的是 B1 和 B2 等级的产品,主要有聚苯板、聚氨酯等。聚苯板价格低廉、应用广泛,但是受热容 易变形;聚氨酯性能更加理想,是欧美国家主流的外墙保温材料,但其在中国市场 渗透率不足 10%。我国目前拥有世界上最大的建筑市场,2019 年房屋竣工面积为 9.6 亿平方米。外墙面积一般按照建筑面积 0.7 倍计算,2019 年新增外墙面积为 6.72 亿平方米。假设未来十年我国房屋竣工面积的复合增长率按照市场上的中性假设为 3%,气凝胶材料能够抢占部分高端市场,参考目前聚氨酯材料在中国建筑保温市场 10%的渗透率。那么至 2030 年,新增外墙面积达 9.3 亿平米,假设按照 10%的渗透 率计算,气凝胶材料在外墙中的应用量达 9302 万平方米。现有的技术专利显示, 大多数气凝胶材料是以单层毛毡的形式应用于墙体材料中,按照 10mm 气凝胶毡 80 元/平方米测算,气凝胶外墙保温材料的潜在市场规模可达 11 亿美元。


气凝胶凭借其阻热能力强、轻质、无毒、易降解等优势,成为一种理想的内墙保温 材料,测算潜在市场规模达到 9 亿美元。由于气候和生活习惯差异,我国南、北方 对内墙保温材料的偏好呈现明显的不同,内墙保温材料在北方更加受到青睐,目前 常用的内墙保温材料主要有聚氨酯发泡材料和保温板材,其中以后者为主。2019 年 房屋竣工面积为 9.6 亿平方米,内墙面积通常按照建筑面积 2.7 倍计算,2019 年新 增内墙面积为 25.92 亿平方米。内墙保温材料的需求主要存在于我国长江以北的地 区,则存在内墙保温材料需求的面积约占全国新增内墙面积 55%。据《新型墙材推 广应用行动方案》要求,新建建筑中新型保温墙材应用比例需要达到 90%,则新增 保温内墙面积约为 12.83 亿平方米。假设未来十年我国房屋竣工面积的复合增长率 为 3%,假设气凝胶内墙应用渗透率达到 2%,那么至 2030 年,我国新增内墙面积 35.88 亿平方米,气凝胶内墙保温材料的需求量约为 7176 万平方米。按照 10mm 气 凝胶毡 80 元/平方米测算,气凝胶内墙保温材料的潜在市场规模可达 9 亿美元。


2.3.2. 建筑涂料新市场有望打开


保温涂料是涂料市场的一个分支,气凝胶材料将参与到未来涂料市场的竞争中。 2019 年全球涂料市场规模约 9195 亿元,其中建筑涂料占比 39%,中国涂料市场为3000 亿元,建筑涂料占比 29%。


一般而言,涂料根据化学属性可以分为有机涂料和无机涂料,其中有机涂料按用途 可以分为建筑涂料、OEM 涂料(Original Equipment Manufacture,相当于国内常用 的工业涂料)和特种涂料三大类。


气凝胶涂料具有防火阻燃、隔音降噪、降低建筑无机垃圾处理难度,简化施工工序 等优点,后期将广泛应用在涂料市场。气凝胶涂料是采用特殊工艺将气凝胶粉体分 散在专用高性能树脂乳液中,或与无机粘结剂体系复合制备而成的具有保温隔热、 隔音降噪、抗震、防火等功能的水性涂料,水性气凝胶涂料以 SiO₂ 气凝胶作为主 要功能性填料,以水为溶剂,无机体系,安全环保,关注度较高。


国内用于建筑保温的气凝胶涂料潜在市场规模达 9 亿美元。从市场需求看,保温属 性可以使普通建筑涂料广受欢迎。2019 年中国建筑涂料产量为 694 万吨,同比增长 7%。2019 年我国建筑涂料人均产量仅为 5.0 千克/人,显著低于美国的 7.9 千克/人, 随着未来存量需求的不断释放,人均产量的提升将带动建筑涂料产量的不断增长, 同时轻量、环保且具有保温特性的气凝胶涂料也会受到更多消费者的青睐。假设十 年内我国人均建筑涂料产量达到 7.9 千克/人,则 2030 年我国建筑建筑涂料产量为 1106 万吨,同时考虑到客户对功能性建筑涂料的青睐,我们假设未来十年内,气凝 胶环保类保温涂料的市场渗透率为 10%。按照目前几种气凝胶涂料专利方法中气凝 胶质量组分情况,假设涂料中添加气凝胶质量占比为 12%,则我国每年有 5.3 万吨 的气凝胶涂料需求,按照目前 SiO2 气凝胶涂料的市场价 45 元/kg 进行计算,则该应 用领域的潜在市场约 9 亿美元。


2.3.3. 气凝胶玻璃对 Low-E 玻璃形成替代


气凝胶材料也可制备节能玻璃,对传统的 Low-E 镀膜玻璃形成一定替代。通过两 片玻璃,中间夹填气凝胶,形成“三明治”结构,具有很好的保温隔热、隔音、防火 等性能。气凝胶节能玻璃可用于节能要求较高的建筑,同时可取代高层建筑一般幕 墙玻璃,大大减轻建筑物自重,并起防火作用。相对于其他种类玻璃而言,气凝胶 玻璃能帮助建筑更好地实现节能与舒适、环境方面三者平衡。


2.4. 高科技服装逐步打开应用


气凝胶材料用来制作户外防护用品具有较大优势,能够加工出更加轻薄且保温性能 同样优异的衣物。气凝胶制作的材料热导率比市面上羽绒服填充物白鸭绒低,是空 气热导率的一半。将气凝胶制成成衣,在相同保暖效果下气凝胶成衣厚度是传统保 暖服装的 1/4。


目前国内应用气凝胶技术制作成衣的厂商主要有 OROS、SUPILD、龙牙等,OROS是一家于 2015 年在 Kickstarter 网站上通过众筹活动成立的高科技外套生产商,主要 为户外探险提供外套和冲锋衣,其产品采用 SolarCore 气凝胶隔热材料,这种材料 与美国国家航空航天局(NASA)在最恶劣的环境中使用的保护火星探测器和宇航服 的绝缘材料类似。SUPILD 是一家专注于开发及运用纺织新材料的先进科技服饰品 牌,分别在美国硅谷及中国上海两地建立了新材料研发中心和供应链中心,已经获 得了国内首份正式推向市场的气凝胶服装专利,成为中国气凝胶服装的开创者。


气凝胶应用于服装制品可通过与复合纤维无纺布协同成复合材料,例如 P 棉 (Primalloft 保温棉)将气凝胶融合至复合纤维内部,提高气凝胶本身的机械性能, 同时让纤维具有更加优异的隔热保温性能,也可以通过与聚酯纤维完美结合制备出 气凝胶纤维。根据相关专利数据,根据无纺布厚度和克数不同,通过相关制备工艺 可以制成 1-3mm 厚,掺杂气凝胶浓度为 200-400g/㎡的二氧化硅气凝胶复合材料。


3. 气凝胶成本端改善,利于国内发展

与传统保温材料相比,气凝胶优势明显,但缺点也仍然突出:生产成本高昂,产品价格昂贵。气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧以及能耗方面。其 中设备折旧以及能耗成本约占产业链总成本的 6 成。有效降低成本一方面依赖于制 备工艺的突破,一方面通过低成本原材料的大规模产业化实现。


3.1. 常压工艺逐步成熟


常压工艺逐步成主流选择。气凝胶制备成本占比约产业链总成本的 60%,根据美国 国家航空航天局数据,每磅气凝胶平均制造成本高达 23000 美元。其中干燥工艺是 制约制备流程成本的主要因素。


全球常见干燥工艺分为常压干燥工艺和超临界干燥工艺。超临界干燥工艺使用核心 设备为高压釜,一般工作压力高达 7~20MPa,属于特种设备中的压力容器,设备系 统较为复杂,运行和维护成本也较高,扩大生产规模的固定资产投入巨大。气凝胶 未来如果迎接建筑保温的巨大市场,就需要达到年产 50 万立方米以上,采用超临 界干燥技术的设备投入将高达数十亿,十分不利于气凝胶企业的规模扩张。而常压 干燥技术随着规模扩大,投入产出比会进一步提高,实现以较少投资获得较大生产 规模,因而更能适应未来大规模生产的需要。此外,受限于硅源,超临界的原料成 本降低空间有限,只能通过优化系统提高生产效率,而常压干燥对廉价硅源有较强 接纳能力,流程优化方面也有较高自由度,因而拥有更大的成本下降空间。


2004 年我国气凝胶材料商业化以来,气凝胶制备工艺优化取得了持续突破性进展。制备成本大幅下降。气凝胶材料走出实验室,实现了从年产千立方米到万立方米级 的规模化生产,而制备工艺也逐步实现更新换代,用成本较低的无机硅源搭配优化 的常压制备工艺取代原有的成本较高、周期较长的有机硅源超临界制备工艺,所生 产出的气凝胶质量达到了超临界干燥工艺的技术指标,且大大缩短了投资回报期, 从根本上脱离了由于超临界干燥所带来的各种弊端,制造成本降低至超临界工艺的 1/20。我们预计未来气凝胶制备的发展方向仍为常压干燥技术的硅源选择和流程组 合优化,制备成本将进一步降低至与传统保温材料制备相当。而超临界技术虽然制 备成本的下降难度较大,但由于产品纯度极高,在军工、航天等特殊领域市场具有 不可替代性,未来将共存于市场。


3.2. 硅源供给得到释放,缓解成本端压力


硅源材料根据干燥方式以及制备方法种类的不同,主要分为无机硅源,包括四氯化 硅和水玻璃,以及有机硅源,包括正硅酸甲酯(TMOS)和正硅酸乙酯(TEOS)、 烷氧基硅烷等功能性硅烷。现在 TMOS 价格 500ML 在 300-400 元之间,TEOS 价格 500ML 在 50-100 元之间;而水玻璃价格在 500-1000 元/吨,四氯化硅价格在 5000-6000 元/吨,相比之下有机硅源的成本要高很多。水玻璃价格低廉,但是杂质 较多,去除杂质的工艺较为繁琐,目前主要应用于常压干燥技术中。


3.2.1. 四氯化硅供给充足,支撑常压工艺发展


四氯化硅作为无机硅源,其兼备的成本优势以及杂质去除技术的突破为循环利用创 造了条件。四氯化硅大部分为多晶硅副产物。我国从 2015 年至今,国内企业已经 打破国外技术壁垒,提纯技术已经在不断突破,在金属离子杂质的去除方面已有较 好的表现,并且实现了电子级四氯化硅的产业化生产。通过副产物四氯化硅制备气 凝胶,可以将多晶硅产业和气凝胶产业结合,形成产业链,变废为宝。据统计每生 产 1 千克多晶硅将产生 10~15 千克四氯化硅,随着多晶硅下游光伏行业的快速发 展,2015-2019 年中国多晶硅年产量从 16.5 万吨增长至 34.2 万吨,复合增速 20%。预计到 2025 年我国多晶硅年产量将达到 102.2 万吨,副产的四氯化硅就将达 1022 万~1533 万吨。原材料充足以及产业链一体化的形成将有效降低气凝胶材料成本中 枢,在市场上的替代效应更为明显。


3.2.2. 功能性硅烷需求景气带动供给扩张,解决超临界工艺的硅源问题


有机硅源纯度高,工艺适应性好,可同时满足超临界干燥工艺和常压干燥工艺的纯 度要求,目前国内外采用超临界干燥工艺的企业基本上都是采用有机硅源。据市场 调研机构 Markets and Markets 发布报告显示,全球功能性硅烷市场规模将从 2015 年的 13.3 亿美元增加至 2020 年的 17 亿美元,年复合增长率约为 5%。其中亚太地 区硅烷需求强劲,是推动全球硅烷市场增长的主要因素。中国作为世界主要硅烷消 费国,将引领亚太地区硅烷市场的发展。此外,巴西和印度等其他新型经济体硅烷 市场也将伴随本国经济增长而逐步壮大。全球功能性硅烷主要用于橡胶加工、粘合 剂、复合材料等领域。供应端,2018 年全球功能性硅烷产能约为 59.6 万吨/,产量 约为 41.5 万吨。中国是最大的生产大国,其目前的产能占到了世界产能的 68.4%。其次是美国、日本和德国,产能分别占比 8.9%、7.8%和 6.1%,另外还有英国、意 大利、韩国、比利时和新加坡,分别占比 2.0%、1.9%、1.1%、0.8%和 0.5%。虽然 东南亚地区目前产能占比较小,但未来上涨空间较大。


根据德国瓦克年度报告,人均 GDP 水平与人均有机硅消费量基本呈正比关系,而 且低收入国家有机硅需求增长对收入增长的弹性更大。近年来,伴随着经济快速增 长,我国已成为全球最大的功能性硅烷生产、消费与出口国。


我国功能性硅烷价格有望下行。根据 SAGSI 数据统计,2011-2019 年,我国功能性 硅烷产能由 18.80 万吨迅速增长到 43.1 万吨,年产量也从 11.1 万吨提高到 27.9 万吨。2017 年之前,由于产能扩张较快,伴随供给侧改革及环保督查等因素综合影响下, 中小企业大面积关停,行业整体开工率不高。之后我国硅烷行业开工率持续改善, 分别在 2017 年和 2018 年达到 58.6%和 64.6%。2019 年初以来,全球主要经济体均 出现不同程度的增长放缓迹象,以中美及欧美贸易摩擦、英国脱欧为代表的“逆全 球化”行为进一步冲击世界各国经济。在下游需求增速有所放缓、行业供应能力继 续提高的情况下,2019 年我国硅烷行业开工率同比基本保持稳定。伴随 2020 年功 能性硅烷生产企业晨光新材、宏柏新材等的上市和亚拓化工等项目投产,我国功能 性硅烷产能将新增超过 16 万吨。供需差的进一步扩大有望带动功能性硅烷平均价 格水平下降,为气凝胶成本下降带来空间。


硅烷交联剂逐渐摆脱进口依赖。出口方面,2019 年我国功能性硅烷出口量较 2018 年小幅下降,达到 9.14 万吨,我国出口的硅烷品种主要为含硫硅烷,主要出口市场 为美国、印度、韩国、日本等国家或地区。我国进口的硅烷品种主要为环氧基硅烷 及交联剂,主要来自美国、日本和韩国。而气凝胶主要的有机硅源 TMOS、TEOS、 甲基三甲氧基硅烷等均属于脱醇型交联剂,这也是有机硅源成本昂贵的主要原因之 一。随着我国未来硅烷交联剂产能的大幅扩张,气凝胶的有机硅源将逐渐摆脱进口 依赖,自给率提升带来的成本效益会更加明显。


市场趋势来看,随着新能源汽车、复合材料和表面处理等新兴市场需求的壮大成熟, 加之我国功能性硅烷人均消费量仍低于发达国家,未来我国功能性硅烷的产销量会 继续增长,增速保持稳定。根据 SAGSI 估计,到 2025 年,功能性硅烷总产能将达 到 80.1 万吨,总产量将达到 55.5 万吨,同期消费量将达 34.1 万。规模效应以及供 需的绝对差异增大会降低硅烷整体平均价格水平。


产品趋势来看,经过多年的发展,我国功能性硅烷的品种、质量以及产量均得到大 幅提升,随着太阳能、锂电池、LED 灯具,5G 网络等新兴行业发展迅猛,对密封 胶及粘合剂特定种类的需求也越来越分化,如在室温硫化硅橡胶中,中性胶需求增 长较快,使得脱酮肟型胶成为市场主流,酸型胶则呈萎缩态势,未来中性胶发展将 是大势所趋。此外,国内高端功能性硅烷发展非常迅猛,交联剂等高端硅烷产品技 术不断突破,未来我国功能性硅烷将向着高端化、专一化、新型化方向发展。


竞争趋势来看,最近几年功能性硅烷行业在爆发式的增长后出现了明显的整合,部 分小企业陆续退出,产能向大型企业集中的趋势较为明显。2020 年龙头企业新产能 陆续投产,产能的大规模释放将对功能性硅烷行业供需关系起到冲击作用。且新增产能大部分为国内尚存缺口的硅烷种类,这部分缺口的填补将提高我国产品 的议价能力。


在现有隔热保温市场上,传统保温材料成本一平方米几十元,而气凝胶保温材料归 因于规模化生产的实现,成本从两三年前每平方米 200 元以上,到现在降到了 100 多元。但目前气凝胶的价格与市场接受程度还有差距。一旦气凝胶材料生产成本得 以显著下降,市场价格下降至可对比水平,市场规模就会急剧扩大。


4. 海外气凝胶企业成长复盘(略)

根据 IDTechEx 2019 年发布的市场报告,企业发展所处生命周期可以分为概念阶段、 早期半商业原型阶段、半商业试运行阶段、早期商业化阶段、全面上市阶段、市场 渗透阶段以及成熟阶段。企业处于后两个阶段意味着已经在市场占据一定的份额, 其中包括 Aspen Aerogels,Inc.、Cabot 以及 Armacell Jios Aerogels Ltd(“AJA”)。


5. 泛亚微透——国内 ePTFE 引领者,气凝胶蓄势待发

公司是 ePTFE 国内引领者,享受长尾利基市场。公司主要从事膨体聚四氟乙烯膜 (ePTFE)等微观多孔材料及其改性衍生产品,从最初的传统汽车装配材料业务到 ePTFE 膜相关产品,立足产品多元,享受长尾利基市场。该类市场各个分类市场规 模较小,但是随着应用成熟放量,公司营收有望提速,公司毛利率和净利率均长期 处于较高的水平。


IPO 募投 SiO2气凝胶系列材料,布局热学应用领域,匹配不同客户的差异化需求。 目前公司 ePTFE 膜及其组件业务已覆盖“声、电、气”等方向,因此 ePTFE 膜及 其组件在“热学”方向的产业化应用将是下一步战略规划的重要环节。SiO2 气凝胶是十分优良的保温隔热材料,而公司将 SiO2 气凝胶与 ePTFE 膜结合形成的复合材 料还同时具备优秀的绝缘性、阻燃性以及柔韧性,可以被广泛应用于消费电子、汽 车、新能源、航空航天以及军工等行业。通过实施本项目,公司将推出 SiO2 气凝胶、 SiO2 气凝胶与 ePTFE 膜复合材料以及 SiO2 气凝胶玻纤毡复合材料等新产品。其中 SiO2 气凝胶玻纤毡复合材料通过在 SiO2 气凝胶制程中引入玻纤毡增强复合,将其高 温耐受能力提高至 800℃以上,可以实现耐受住电池包短路造成的高温能量瞬间冲 击的能力,可作为电池包热管理的理想材料。


SiO2 气凝胶与 ePTFE 膜复合材料同时具备优秀的绝缘性、阻燃性以及柔韧性,可 以被应用于消费电子内臵芯片以及汽车隔热保温箱体中,具有良好的隔热支撑、缓 冲及隔音作用。同时,该复合材料对重大输气输油工程的管道也能起到高度隔热防 护功效,在极低的温度环境中无冻裂,能够长期暴露在户外照射的紫外线下工作 20 多年不老化,使得需要隔热隔音的工程造价降低且长期免维护。目前公司该复合材 料作为隔热隔音材料已被应用于上汽大众途昂车型。


另外公司还研发了 SiO2 气凝胶玻纤毡复合材料,该材料主要应用于新能源动力电 池包中,将电池包高温耐受能力提高至 800 ℃以上。该电池包可以耐受住电池包 短路造成的高温能量瞬间冲击,从而为汽车驾乘人员争取了宝贵的逃生时间。该产 品在常温 25℃环境下,导热系数可以达到 0.017W/(m〃k)以下,在 600℃高温环境 下,导热系数介于 0.047~0.066 W/(m〃k)之间,产品性能超过上汽通用电池包对导 热系数的要求。据招股说明书披露,目前公司正在与宁德时代商谈合作事宜。


募投项目的达产,将进一步增强公司在 ePTFE 膜及 SiO2气凝胶相关领域的行业领 先地位。项目规划位于武进区礼嘉镇工业集中区,用地约 40.5 亩,规划建设厂房、 研究中心等建筑约 7 万平方米,新增窄幅 ePTFE(膨体聚四氟乙烯)膜生产线、ePTFE 膜生产线、高耐水压涂层精密涂布机、高耐水压透声 ePTFE 膜组件自动生产线、二 氧化硅气凝胶生产线、激光切割机等 45 台(套)生产设备、测试仪器及辅助设施, 达产后形成二氧化硅气凝胶 1604 立方米,微纳孔二氧化硅气凝胶、ePTFE 膜复合 材料 24 万平方米,消费电子用高耐水压透声 ePTFE 改性膜 10300 平方米的生产能 力。


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