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氣凝膠概述

 

氣凝膠是一種隔熱性能優(yōu)異的固體材料，具有高比表面積，納米級孔洞，低密度等 特殊的微觀結(jié)構(gòu)，基于這些結(jié)構(gòu)在熱學方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。它的導熱率 ~0.012mw/mk、密度~0.16mg/cm3、比表面積在 400-1000m2 /g、孔隙率為 90-99.8%， 它化學性能穩(wěn)定，內(nèi)部體積 99%由氣體組成，是目前已知密度最小的固體。

 

1.1. 氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化日趨成熟

 

氣凝膠從發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)經(jīng)歷過三次產(chǎn)業(yè)化，目前正處在第四次產(chǎn)業(yè)化浪潮的快速發(fā) 展中。氣凝膠誕生于 1931 年，由 Steven.S.Kistler 在 Nature 雜志上發(fā)表《共聚擴散 氣凝膠與果凍》標志著氣凝膠的發(fā)現(xiàn)。也正是 Kistler 首次通過乙醇超臨界干燥技術(shù)， 制備出世界上第一塊氣凝膠—SiO2 氣凝膠。

 

第一次產(chǎn)業(yè)化發(fā)生在 20 世紀 40 年代早期，但是由于高昂的成本，第一次產(chǎn)業(yè)化最 終失敗。美國孟山都公司（MonsantoCorp.)與 Kistler 合作生產(chǎn)名為 Santocel 的氣凝 膠粉體，用來作化妝品、硅橡膠添加劑、凝固汽油增稠劑等。但因為高昂的制造成 本及應(yīng)用開發(fā)的滯后，孟山都公司于 20 世紀 70 年代終止了氣凝膠項目。

 

第二次產(chǎn)業(yè)化浪潮中，出現(xiàn)了不同技術(shù)方向的典型代表。（1）1984 年，瑞典 Airglass 公司使用甲醇超臨界技術(shù)，該材料用于切倫科夫探測器；（2）1989 年，美國 Thermalux 公司使用 CO 超臨界技術(shù)，由于經(jīng)營不善，項目終止；（3）1992 年，德國 Hoechst 公司以常壓干燥技術(shù)生產(chǎn)氣凝膠粉體，推動其在隔熱涂料、消光劑等多個領(lǐng)域的應(yīng) 用；（4）2003 年，同濟大學開始發(fā)表常壓干燥的研究論文，中國技術(shù)工作者在常壓 干燥領(lǐng)域的投入逐步增多。

 

第三次產(chǎn)業(yè)化發(fā)生在 21 世紀初，在這次產(chǎn)業(yè)化中誕生了著名的 Aspen Aerogel 和 Cabot 公司。1999 年美國 Aspen Systems 公司承接美國宇航局的課題，成功制備出 纖維復(fù)合的氣凝膠超級絕熱材料。2001 年正式成立了 Aspen Aerogel 公司進行氣凝膠的商業(yè)化運作，開始將氣凝膠絕熱氈推廣應(yīng)用至航天軍工、以及石化領(lǐng)域。由此 開啟了氣凝膠材料第三次產(chǎn)業(yè)化浪潮，氣凝膠終于找到了一個好的商業(yè)化產(chǎn)品模 型。2003 年全球領(lǐng)先的特種化學品和高性能材料公司 Cabot 通過兼并德國 Hoechst， 掌握了常壓干燥制備 SiO2 氣凝膠材料的生產(chǎn)技術(shù)，成立了氣凝膠專業(yè)公司，主要產(chǎn) 品為氣凝膠粉體顆粒，作為涂料添加劑或采光玻璃中的填充層應(yīng)用。2004 年國內(nèi)開 始出現(xiàn)從事氣凝膠材料產(chǎn)業(yè)化研究的企業(yè)。

 

第四次產(chǎn)業(yè)化主要發(fā)生在國內(nèi)，隨著氣凝膠工藝成本的降低和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴 大，一些新興應(yīng)用不斷開發(fā)出來，氣凝膠市場日益成熟。2010 年開始，國內(nèi)首批氣 凝膠生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)成功開拓了工業(yè)設(shè)備管道節(jié)能、新能源汽車安全防護、軌交車廂 及船體防火隔熱保溫的應(yīng)用市場。2017 年，我國發(fā)布了《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制 品》（GB/T34336-2017）國家標準；同年，氣凝膠被列入國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推 廣目錄。2019 年，我國氣凝膠產(chǎn)量 7.82 萬立方米，2019 年我國氣凝膠市場規(guī)模約 為 11.23 億元。

 

 

1.2. 國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)業(yè)逆境崛起

 

氣凝膠產(chǎn)業(yè)逆境崛起，國內(nèi)不斷重視并快速發(fā)展。2016 年，美國阿斯彭氣凝膠股份 有限公司（Aspen Aerogels）向美國國際貿(mào)易委員會（ITC）提起了 337 調(diào)查申請， 稱來自中國的兩家企業(yè)的產(chǎn)品侵犯其復(fù)合氣凝膠隔熱材料和制造方法相關(guān)的專利 權(quán)，請求 ITC 發(fā)布一般排除令（或有限排除令）和禁止令。2018 年，ITC 對氣凝膠 隔熱復(fù)合材料及其制造工藝做出 337 調(diào)查部分終裁：裁定兩家中國公司存在侵犯知 識產(chǎn)權(quán)的行為。此次調(diào)查事件引起了國內(nèi)氣凝膠行業(yè)及科研人員對氣凝膠專利產(chǎn)權(quán) 的高度重視。

 

2010 年之后專利和申請人數(shù)量增長迅速。從專利檢索數(shù)據(jù)來看，氣凝膠專利申請中 年度新增的申請人數(shù)量逐年快速增加，每年有大量新增申請人涌入氣凝膠領(lǐng)域。從國內(nèi)氣凝膠專利申請人排名來看，排名前二十位的，三分之二為高校和科研院所， 企業(yè)申請人相對較少，且平均專利申請數(shù)量不到 50，授權(quán)發(fā)明量更少。從發(fā)明專利 的技術(shù)方向來看，目前主要集中在氣凝膠制備工藝及設(shè)備上，這也是氣凝膠產(chǎn)業(yè)化 的需要重點突破的方向。從國內(nèi)氣凝膠專利申請情況來看，氣凝膠產(chǎn)業(yè)目前處于產(chǎn) 業(yè)化初期，已經(jīng)有大批企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)涌入這一領(lǐng)域。

 

政策支持逐步明確，氣凝膠推手頻出。國際頂級權(quán)威學術(shù)雜志《科學》雜志在第 250 期將氣凝膠被列為十大熱門科學技術(shù)之一，稱之為可以改變世界的多功能新材料。2014 年和 2015 年，發(fā)改委連續(xù)兩年將氣凝膠材料列為《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推 廣目錄》，開始了對氣凝膠材料的初步推廣應(yīng)用。2018 年 6 月氣凝膠被列入建材新 興產(chǎn)業(yè)，同年 9 月發(fā)布第一個氣凝膠材料方面的國家標準，2019 年 12 月國家發(fā)改 委發(fā)布文件鼓勵氣凝膠節(jié)能材料，2020 年 11 月，《氣凝膠保溫隔熱涂料系統(tǒng)技術(shù)標 準》啟用，有利于規(guī)范氣凝膠保溫隔熱涂料在建筑工程中的應(yīng)用，為建筑領(lǐng)域新建、 擴建和既有建筑改造工程中氣凝膠應(yīng)用的設(shè)計、施工和驗收提供了技術(shù)保證。

 

 

據(jù)中國石油管道科技研究中心評估，以 350℃蒸汽管道的保溫應(yīng)用為例，相比于傳統(tǒng)保溫材料，氣凝膠的保溫厚度減少 2/3，節(jié)約能耗 40%以上，每公里管道每年可減少二氧化碳排放 125 噸。

 

隨著氣凝膠行業(yè)進入企業(yè)不斷增多，產(chǎn)品應(yīng)用不斷擴寬，市場規(guī)模不斷擴大，技術(shù)研發(fā)速度加快，產(chǎn)品價格顯著降低，行業(yè)領(lǐng)先的公司進入快速增長階段，目前國內(nèi)尚沒有一家企業(yè)形成穩(wěn)固的龍頭地位，掌握低成本核心技術(shù)和一定市場資源的企業(yè)將獲得巨大發(fā)展空間，整個行業(yè)將進入快速發(fā)展的窗口期。

 

1.3. 氣凝膠的種類

 

氣凝膠可分為無機氣凝膠、有機氣凝膠、混合氣凝膠和復(fù)合氣凝膠。常見的氣凝膠 主要是硅氣凝膠、碳氣凝膠和二氧化硅氣凝膠，新進發(fā)展的氣凝膠主要是氧化石墨 烯氣凝膠、富勒烯氣凝膠和纖維/二氧化硅氣凝膠。

 

 

目前市場上常見的以及研究較多的可分為氧化物氣凝膠材料、炭氣凝膠材料（耐高 溫性可達 3000℃）和碳化物氣凝膠材料。

 

1.3.1. 氧化物氣凝膠材料

 

氧化物氣凝膠材料在高溫區(qū)（＞1000℃）容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變及顆粒的燒結(jié)，其耐溫 性相對較差，但是其在中高溫區(qū)（＜1000℃）具備較低的熱導率。氧化物氣凝膠材 料主要有 SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、CuO 等。

 

1）SiO2 氣凝膠材料

 

SiO2 氣凝膠是目前隔熱領(lǐng)域研究最多也是較為成熟的一種耐高溫氣凝膠，其孔隙率 高達 80%~99.8%，孔洞的典型尺寸為 1~100nm，比表面積為 200~1000m2 /g，而密度 可低達 3kg/m3，室溫熱導率可低達 12m.W/（m〃K）。SiO2 氣凝膠材料通常是將與 紅外遮光劑以及增強體進行復(fù)合，以提高 SiO2 氣凝膠的隔熱和力學性能，使其既具 有實用價值的納米孔超級絕熱材料，同時還兼有良好的隔熱和力學性能，主要應(yīng)用 于航空航天、軍事、電子、建筑、家電和工業(yè)管道等領(lǐng)域的保溫隔熱。常用的紅外 遮光劑有碳化硅、TiO2（金紅石型和銳鈦型）、炭黑、六鈦酸鉀等；常用的增強材料 有陶瓷纖維、無堿超細玻璃纖維、多晶莫來石纖維、硅酸鋁纖維、氧化鋯纖維等。

 

2）ZrO2 氣凝膠材料

 

與 SiO2 氣凝膠材料相比，ZrO2 氣凝膠的高溫熱導率更低，更適宜于高溫段的隔熱 應(yīng)用，在作為高溫隔熱保溫材料方面具有極大的應(yīng)用潛力。ZrO2 氣凝膠材料的孔徑 小于空氣分子的平均自由程，在氣凝膠中沒有空氣對流，孔隙率極高，固體所占的 體積比很低，使氣凝膠的熱導率很低。目前關(guān)于 ZrO2 氣凝膠應(yīng)用于隔熱領(lǐng)域的報道 還比較少，研究者主要致力于 ZrO2 氣凝膠制備工藝的研究。

 

3）Al2O3 氣凝膠材料

 

氧化鋁氣凝膠材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)、使其具有更輕質(zhì)量、更小體積達到等效的隔 熱效果，同時具有高孔隙率、高比表面積和開放的織態(tài)結(jié)構(gòu)，在催化劑和催化載體 方面具有潛在的應(yīng)用價值。氧化鋁氣凝膠還可用作高壓絕緣材料，高速或超速集成 電路的襯底材料，真空電極的隔離介質(zhì)以及超級電容器。

 

 

1.3.2. 炭氣凝膠與碳化物凝膠材料

 

炭氣凝膠最大的特點就是其在惰性及真空氛圍下高達 2000℃的耐溫性，石墨化后耐 溫性能甚至能達到 3000℃，而且炭氣凝膠中的炭納米顆粒本身就具備對紅外輻射極 好的吸收性能，從而產(chǎn)生類似于紅外遮光劑的效果，因此其高溫熱導率較低。但是 在有氧條件下，炭氣凝膠在 350℃以上便發(fā)生氧化，這使得其在高溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng) 用受到了極大地限制。隨著 SiC、MoSi2、HfSi2、TaSi2 等高抗氧化性涂層的發(fā)展， 在炭氣凝膠材料表面涂覆致密的抗氧化性涂層，阻止氧氣的進一步擴散，將使該材 料具備極大的應(yīng)用前景。

 

碳化物材料具備極好的抗氧化性能，但是其本身熱導率較高，將其制成含有三維立 體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠，可以極大地降低材料的熱導率，進一步提高材料的隔熱性 能。目前國內(nèi)外對于碳化物氣凝膠的研究還相對較少，特別是對于成形性良好的塊 狀碳化物氣凝膠的研究尚處于初始階段，對于其作為高效隔熱材料的研究也較為匱 乏，僅限于對該材料的制備與表征。

 

1.4. SiO2氣凝膠的制備

 

由于 SiO2 氣凝膠是目前產(chǎn)業(yè)化最成熟的產(chǎn)品，該類氣凝膠的制備包括兩種方法：干 燥法和溶膠-凝膠法。目前產(chǎn)業(yè)化中主要使用的技術(shù)是干燥技術(shù)。

 

 

1.4.1. 干燥技術(shù)

 

目前產(chǎn)業(yè)化中主要使用的技術(shù)是超臨界干燥技術(shù)和常壓干燥技術(shù)，其他尚未實現(xiàn)批 量生產(chǎn)技術(shù)還有真空冷凍干燥、亞臨界干燥等。

 

超臨界干燥技術(shù)是最早實現(xiàn)批量制備氣凝膠技術(shù)，已經(jīng)較為成熟，也是目前國內(nèi)外 氣凝膠企業(yè)采用較多的技術(shù)。超臨界干燥可以實現(xiàn)凝膠在干燥過程中保持完好骨架 結(jié)構(gòu)。

常壓干燥技術(shù)一種新型的氣凝膠制備工藝，是當前研究最活躍，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臍?凝膠批產(chǎn)技術(shù)。其原理是采用疏水基團對凝膠骨架進行改性，避免凝膠孔洞表面的 硅羥基相互結(jié)合并提高彈性，同時采用低表面張力液體臵換凝膠原來高比表面積的 水或乙醇從而可以在常壓下直接干燥獲得性能優(yōu)異的氣凝膠材料。

 

 

相比超臨界干燥技術(shù)，常壓干燥技術(shù)在設(shè)備投入、硅源上均具有顯著的成本優(yōu)勢， 在技術(shù)上存在一定的門檻，適合于后期氣凝膠的大規(guī)模量產(chǎn)。

 

1.4.2. 溶膠-凝膠法

 

通過硅源物質(zhì)的水解和縮聚獲得具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的 SiO2 凝膠，反應(yīng)生成以 ≡Si-O-Si≡為主體的聚合物，再經(jīng)過老化階段后，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠。在凝膠形成 的過程中，部分水解的有機硅發(fā)生縮聚反應(yīng)，縮聚的硅氧鏈上未水解的基團可繼續(xù) 水解。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的酸堿度，控制水解-縮聚過程中水解反應(yīng)和縮聚反應(yīng)的相 對速率，可得到凝膠結(jié)構(gòu)。在酸性條件下（pH=2.0-5.0），水解速率較快，有利于成 核反應(yīng)形成較多的核；在堿性條件下，有利于核的長大及交聯(lián)，易形成致密的膠體 顆粒。強堿性或高溫條件下 SiO2 的溶解度增大，使最終凝膠結(jié)構(gòu)形成膠粒聚集體。

 

1.4.3. 氣凝膠改性賦予其更強性能

 

氣凝膠材料本身具有強度低、脆性高的缺點，為了克服這一缺點，需要對氣凝膠材 料進行改性，這是目前最重要的工藝，通過改性可賦予氣凝膠材料不同性能。目前 氣凝膠材料改性最常用的方法就是摻雜，即加入摻雜劑或者增強／增韌材料，制備 復(fù)合氣凝膠材料。

 

復(fù)合氣凝膠材料的制備方法通常有兩種：一種是在凝膠過程前加入摻雜材料；另一種是先制備氣凝膠顆?；蛘叻勰偌尤霌诫s材料和黏結(jié)劑，經(jīng)模壓或注塑成型制 成二次成型的復(fù)合體。常用的摻雜材料有玻璃纖維、莫來石纖維、巖棉、硅酸鋁纖 維等。摻雜材料種類的選擇主要依氣凝膠復(fù)合材料的應(yīng)用目的而定。

 

氣凝膠可與玻璃纖維、陶瓷纖維或者碳纖維進行復(fù)合，提高體系的結(jié)合力，使表面 不易脆裂粉化。常見的產(chǎn)品如，氣凝膠玻璃纖維氈、氣凝膠陶瓷纖維氈、預(yù)氧化纖 維等，該類產(chǎn)品主要應(yīng)用于管道爐體等保溫隔熱，可取代聚氨酯泡沫、石棉保溫墊、 硅酸鹽纖維等不環(huán)保、保溫性能差的傳統(tǒng)柔性保溫材料。

 

 

在氣凝膠基體材料表面與更高強度與韌性的材料進行復(fù)合，可提高整個材料體系的 強度，拓寬更多的應(yīng)用領(lǐng)域。純纖維氈雖然有隔熱效果，但是表面纖維容易斷裂粉 化，造成浮纖或粉末污染，不適合長時間在高溫、壓縮和振動條件下使用。為解決 該問題，市場上出現(xiàn)了一種新的氣凝膠材料復(fù)合辦法。在氣凝膠復(fù)合層的外部覆蓋 一層更高強度、高韌性的材料如膨體聚四氟乙烯和阻燃 PET 纖維的復(fù)合層，這類材 料能夠應(yīng)用在汽車隔熱等特殊領(lǐng)域。

 

 

氣凝膠材料也可用作涂覆材料，在基體表面添加隔熱保護。將氣凝膠顆粒以及粘合 劑、阻燃劑、發(fā)泡劑進行混合制備出氣凝膠粘合劑組合物，并在氣凝膠涂料表面再 涂覆熱反射層面，可大幅提升原材料的耐熱性能。

 

氣凝膠材料也可與阻燃劑協(xié)同使用，獲得更好的阻燃性的同時也能夠提高材料的強 度和韌性。有一種 Sb2O3-SiO2 復(fù)合氣凝膠無機阻燃劑，具有較大的比表面積，其與 塑料，橡膠等高分子聚合物基體產(chǎn)生了牢固的界面粘合力，提高了復(fù)合氣凝膠阻燃 劑在聚合物熔體中的分散性、流動性，提高了阻燃效果，減少了因添加無機類阻燃 劑給聚合物基體造成的力學性能的損失。

 

氣凝膠材料也可與紡織纖維如無紡布、聚酯短纖、尼龍等制作成衣服面料，該面料 可用于羽絨服、棉襖、戶外用品、防火服、宇航服及特種作業(yè)服等領(lǐng)域。該材料擁有良好的保溫性、隔熱性、耐磨性、防水性、防風型，導熱系數(shù)低于 0.05W/(m〃K)， 比羽絨羊毛導熱系數(shù)還低。

 

 

 

2

氣凝膠應(yīng)用廣泛，處于生命周期的成長期

 

氣凝膠材料由于其優(yōu)異的保溫隔熱性能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要分布在能源設(shè)備、交 通、建筑材料、服裝等領(lǐng)域，潛在規(guī)模巨大，我們判斷全球市場空間在百億美元以上。

 

整體處于生命周期的成長期，多領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。據(jù) IDTechEX Research 提及，由于 氣凝膠技術(shù)近年來才逐漸進步，目前大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域仍處于氣凝膠推廣的早期及成 長期，區(qū)域能源、建筑建造、服裝、日化、LNG 管道等領(lǐng)域發(fā)展較快。目前應(yīng)用相 對成熟的領(lǐng)域主要是油氣管道（LNG 管道除外）、煉化項目、工業(yè)隔熱等。

 

 

建筑建造、交通領(lǐng)域?qū)@得更快增長。2019 年氣凝膠下游大部分應(yīng)用集中于油氣 項目（56%）、工業(yè)隔熱（26%），該兩部分市場占比 82%，建筑建造占比 6%，交通 項目占比 3%。而 IDTechEX Research 分析，2024 年建筑建造領(lǐng)域的占比將會提升，應(yīng)用占比預(yù)計較原來提升一倍，占比接近 12%，到 2029 年，建筑建造占比將會達 到接近 18%，交通領(lǐng)域也會提升至 5%，而傳統(tǒng)油氣領(lǐng)域占比將降低到 41%，建筑 建造以及新興領(lǐng)域?qū)⒊蔀橹饕M驅(qū)動。

 

 

2.1. 能化領(lǐng)域是目前最大下游，保溫防水應(yīng)用成熟

 

氣凝膠材料在能化領(lǐng)域主要應(yīng)用在能源基礎(chǔ)設(shè)施的外保溫材料，包含蒸餾塔、反應(yīng) 管道、儲罐、泵、閥門的保溫材料，天然氣和 LNG 液化氣管道的保溫材料，深海 管道保溫材料，發(fā)電廠設(shè)備保溫材料等。

 

 

氣凝膠的疏水性可以使管道的保溫層防水，并防止溫差引起的凝結(jié)反應(yīng)，當氣凝膠 具有相同的保溫效果時，氣凝膠保溫層所需的厚度或間距較小，綜合成本顯著降低。管道保溫應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，既有室內(nèi)保溫，也有室外保溫，還有直埋管道保溫。與室內(nèi)外管道保溫相比，氣凝膠氈作為保溫材料在直埋管道保溫中的應(yīng)用凸顯了氣凝膠 的突出特點，既可以減少保溫層的厚度，又減少土方工程量和工期。這兩項的成本 下降可以完全抵消選擇氣凝膠作為保溫材料的成本。

 

與傳統(tǒng)保溫材料復(fù)合，有望達到最佳經(jīng)濟性。氣凝膠主要應(yīng)用領(lǐng)域為隔熱保溫，而 作為尚未大規(guī)模普及的新型材料，氣凝膠保溫材料的劣勢在于價格較高，初始投資 較大。但由于其優(yōu)異的耐老化性、尺寸穩(wěn)定性、疏水性、隔熱性能及易于施工的優(yōu) 勢，其在投入使用一定的時間后，就會體現(xiàn)出綜合優(yōu)勢。根據(jù)中國石油管道科技研 究中心研究，將三種保溫方案對蒸汽管道以及地上管道上氣凝膠材料與傳統(tǒng)保溫材 料的保溫性能、初始投資費用、以及運行維護成本進行了對比，發(fā)現(xiàn)在管道上使用 氣凝膠材料較傳統(tǒng)保溫材料具有較大綜合優(yōu)勢。使用氣凝膠材料所節(jié)約的能源和運 行維護費用（主要指更換傳統(tǒng)保溫層的材料和人工費用)，可在 2～4 年內(nèi)超過初期 多花費的投資。在隨后的利用過程中，可持續(xù)因能源節(jié)約和減少保溫層更換次數(shù)為 管道運營商節(jié)省開支。此外，當管道內(nèi)外溫差較大、年加熱時長較長、加熱燃料或 電能漲價時，復(fù)合使用氣凝膠材料和傳統(tǒng)保溫材料的效果更好。

 

 

 

 

氣凝膠材料方便施工，提高施工效率 30%以上。將氣凝膠氈切割成一定尺寸后，會 產(chǎn)生一定程度的弧度，可直接放臵在管道上安裝固定。氣凝膠氈輕巧、硬度一定、 柔韌性強、不易破碎、切割非常方便。與傳統(tǒng)保溫材料相比，施工效率提高 30%以 上，也避免了傳統(tǒng)保溫材料后期使用不便維護的擔憂。

 

雖然氣凝膠保溫的初期投資較傳統(tǒng)材料偏高，但其諸多的優(yōu)良性能、持久的節(jié)能收 益、顯著的綠色環(huán)保優(yōu)勢，使之成為一種綜合性價比較高的節(jié)能產(chǎn)品。高溫蒸汽、 導熱油以及工藝流體介質(zhì)管線是熱電、煉油、化工等領(lǐng)域至關(guān)重要的設(shè)備，管道常 年暴露于空氣中，其熱損失占整個廠區(qū)自然熱損失的絕大部分，且所輸送介質(zhì)能量 保持率直接關(guān)系到產(chǎn)品的保質(zhì)保量水平，所以選用優(yōu)良的保溫材料至關(guān)重要。目前 全球大型石化企業(yè)如?？松梨凇づ?、雪佛龍、中石油、華昌化工等公司煉廠均 大量采用氣凝膠材料作為保溫材料。

 

國內(nèi)大煉化產(chǎn)業(yè)快速崛起，氣凝膠應(yīng)用場景放大。據(jù)資料顯示，2019 年我國煉油能 力已超過 8.5 億噸，2020-2023 年，我國將新增煉油能力 1.65 億噸，增長 19.4%，全 球 2020-2025 年將會新增煉能約 2.67 億噸，中國以及全球煉能的擴張將為氣凝膠復(fù) 材帶來一定的增長空間。

 

能化領(lǐng)域是目前氣凝膠材料主要的應(yīng)用市場，根據(jù) Aspen Aerogel 19 年年報預(yù)測， 能化領(lǐng)域的全球市場空間約 31 億美元。

 

2.2. 新能源將成為交通領(lǐng)域主要增長引擎

 

氣凝膠材料不但能夠解決目前三元電池體系及其它電池體系的安全問題，也能夠發(fā) 揮阻燃性能應(yīng)用于汽車內(nèi)飾材料中。

 

2.2.1. 動力電池應(yīng)用呼之欲出，有望解決安全痛點

 

氣凝膠高溫耐受能力解決三元電池安全痛點。當車載電池長時間輸出電能后，電池 內(nèi)長時間進行化學反應(yīng)會使得電池體明顯發(fā)熱，存在燃燒、爆炸的風險。傳統(tǒng)的芯 模組都是采用塑料隔板將電池相互隔開，并沒有實際用處，這樣不僅重量大還無法 起到保護作用，且容易造成電池溫度過高導致隔板溶解、著火等問題?，F(xiàn)有的采用 的防護氈結(jié)構(gòu)簡單，容易變形，使其不能很好地與電池組全面接觸，且在電池發(fā)熱 嚴重時其并不能起到很好的隔熱效果，而氣凝膠復(fù)合材料的出現(xiàn)有望解決這一痛點。

 

三元電池對安全性要求更高。其優(yōu)勢在于儲能密度和抗低溫兩個方面：1）儲能密 度，三元鋰電池能量密度在 170-200Wh/kg，后期能量密度還會進一步提升，而磷酸 鐵鋰電池能量密度為 140-160Wh/kg；2）低溫使用性能，三元鋰電池低溫使用下限 值為-30℃，磷酸鐵鋰電池低溫下限值為-20℃，在相同低溫條件下，三元鋰電池冬 季衰減不到 15%，磷酸鐵鋰電池衰減高達 30%以上。但由于三元電池能量密度更高， 電池的穩(wěn)定性和安全性相對較差，在使用時更依賴高性能的阻燃材料來增強三元電 池體系的安全性能。

 

動力電池發(fā)展迅猛，三元電池占主要份額。數(shù)據(jù)顯示，2020 年 1-7 月，我國動力電 池裝車量累計 22.5GWh。其中三元電池裝車量累計 15.9GWh，占總裝車量 70.6%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計 6.5GWh，占總裝車量 28.8%，預(yù)計 2025 年全球三元正極出貨量達到 150 萬噸。

 

 

氣凝膠復(fù)合材料作為阻燃材料，相比于傳統(tǒng)阻燃材料具有質(zhì)輕、阻燃性能優(yōu)異、環(huán) 保性能好等優(yōu)點。目前新能源汽車蓄電池芯模組采用隔熱阻燃材料主要有兩種：

1） 塑料類 PP、ABS、PVC 等，其中以 ABS 工程塑料為主，通常將阻燃劑添加進 PP、 ABS 等塑料制成阻燃塑料；

2）玻璃纖維、陶瓷纖維棉等防火類材料制成的防火氈。氣凝膠作為一種新興材料，具有優(yōu)良的絕熱阻燃性能，將氣凝膠與工程材料復(fù)合而 成的氣凝膠復(fù)合材料具有極為優(yōu)異的阻燃性能。泛亞微透開發(fā)的 SiO2 氣凝膠玻纖氈 復(fù)合材料，該類材料在常溫 25℃環(huán)境下，導熱系數(shù)可以達到 0.017W/(m〃k)以下， 在 600℃高溫環(huán)境下，導熱系數(shù)介于 0.047~0.066W/(m〃k)之間，它能夠?qū)㈦姵匕?溫耐受能力提高至 800℃以上。

 

 

該類氣凝膠復(fù)合材料可以耐受住電池包短路造成的高溫能量瞬間沖擊，更好地解決 動力電池安全問題。根據(jù)《電動客車安全技術(shù)條件》要求，可充電儲能系統(tǒng)（或安 裝艙體）與客艙之間應(yīng)使用阻燃隔熱材料隔離，該材料的燃燒性能應(yīng)符合 GB8624-2012 中規(guī)定的 A 級不燃要求，并且在 300℃時導熱系數(shù)應(yīng)小于等于0.04W/(m〃k)。專利 CN210136903U 中公布了一種用于新能源車電池中的二氧化硅 氣凝膠氈制品。其二氧化硅氣凝膠氈層的各個表面均由高硅氧玻璃纖維布層包覆連 接，包覆開口處通過高硅氧線連接。該材料達到了新能源汽車要求的 UL94 的 V0 級不燃的性能指標，在 400℃時的導熱系數(shù)小于等于 0.04W/（mk），在 800℃高溫 下能夠長期工作，滿足了鋰離子動力電池芯在發(fā)生撞擊短路或過沖電發(fā)熱自燃的條 件下，隔離耐受故障電池芯瞬間釋放的高溫能量，使得電池芯自燃起火不再擴大延展。

 

 

預(yù)計 2025 年氣凝膠復(fù)合材料在國內(nèi)新能源汽車市場的潛在規(guī)模約 6.28 億美元。根據(jù) Aspen Aerogel 19 年年報，氣凝膠材料近年平均價格約為 30 美元/平方米，每輛 新能源汽車約需要 2-5 平方米的氣凝膠復(fù)合材料，則每輛新能源汽車平均需要價值 105 美元的氣凝膠復(fù)合材料。根據(jù)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》中要求，2025 年時，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的 20%左右，工業(yè)和信息化部副部長辛國斌表示，按照規(guī)劃每年的年復(fù)合增長率必須達到 30%以上。

 

預(yù)計2025 年氣凝膠復(fù)合材料在全球新能源汽車市場的潛在規(guī)模約 15.75 億美元，2030 年達到 31.50 億美元。新能源汽車也是全球主流發(fā)展方向，根據(jù)主流車企的規(guī) 劃目標，對應(yīng)全球銷量在 2025 年將接近 1500 萬輛，在 2030 年將達到 3000 萬輛。

 

2.2.2. 汽車傳統(tǒng)應(yīng)用亦存在優(yōu)化空間

 

氣凝膠阻燃復(fù)材不僅有更好的阻燃性能和疏水性能，還可以增強材料基體的強度使 其韌性得以提高。二氧化硅氣凝膠經(jīng)過特定改性后可具有較大的比表面積，其與塑 料、橡膠等高分子聚合物基體產(chǎn)生了牢固的界面粘合力，提高了復(fù)合氣凝膠阻燃劑 在聚合物熔體中的分散性、流動性、提高了阻燃效果，其中改性后的橡膠熱穩(wěn)定性、 熱分解溫度均有不同程度提高。

 

氣凝膠材料可添加阻燃劑協(xié)同使用，共同制備出性能更加優(yōu)越的阻燃材料，潛在市 場空間也較大。氣凝膠阻燃材料也可廣泛的應(yīng)用于不同場景，如汽車的不同部位，如座椅阻燃內(nèi)襯以及車身阻燃內(nèi)襯，可對傳統(tǒng)隔熱阻燃材料進行替代。其阻燃性可遏制火勢蔓延，低煙密度特性會降低火災(zāi)的殺傷力，大幅降低火災(zāi)隱患，保護乘客安全。

 

 

2.3. 建筑建材賽道大，有望成氣凝膠滲透最快領(lǐng)域

 

氣凝膠在建材領(lǐng)域主要應(yīng)用于墻體保溫材料、保溫涂料以及節(jié)能玻璃中，面向新建 建筑和既有建筑節(jié)能改造兩大場景。我國日漸完善的建筑能耗標準和逐步建立的建 筑節(jié)能運行監(jiān)管體系將推動建筑墻體保溫材料行業(yè)快速發(fā)展；近年房地產(chǎn)市場向著 高質(zhì)量邁進，開發(fā)投資增速連年保持在 10%左右，將帶動保溫建材市場快速發(fā)展。我們對市場空間進行中期估算，未來十年我國氣凝膠用在建筑建材的潛在市場規(guī)模 約 29 億美元，其中墻體保溫材料為主要部分，約 20 億美元。

 

2.3.1. 內(nèi)外墻滲透率將顯著提升

 

根據(jù)使用位臵的不同，建筑的墻體保溫材料一般可以分為外墻保溫材料和內(nèi)墻保溫 材料，氣凝膠的應(yīng)用可以大大提升墻體的保溫和阻燃性能，并且能夠降低環(huán)境影響。

 

 

預(yù)計到 2030 年，用于外墻保溫的氣凝膠材料國內(nèi)市場規(guī)模為 11 億美元；用于內(nèi)墻保溫的氣凝膠材料國內(nèi)市場規(guī)模為 9 億美元，合計20 億美元。

 

 

氣凝膠外墻保溫材料適用于有輕量化、綠色化需求的高端建筑以及有嚴苛保溫要求 的特種建筑，應(yīng)用前景樂觀，測算潛在市場規(guī)模將達到 11 億美元。外墻保溫材料 按照可燃程度分為 A、B1、B2 和 B3 共四個等級，目前在建筑上常用的是 B1 和 B2 等級的產(chǎn)品，主要有聚苯板、聚氨酯等。聚苯板價格低廉、應(yīng)用廣泛，但是受熱容易變形；聚氨酯性能更加理想，是歐美國家主流的外墻保溫材料，但其在中國市場滲透率不足10%。我國目前擁有世界上最大的建筑市場，2019 年房屋竣工面積為 9.6 億平方米。外墻面積一般按照建筑面積 0.7 倍計算，2019 年新增外墻面積為 6.72 億平方米。假設(shè)未來十年我國房屋竣工面積的復(fù)合增長率按照市場上的中性假設(shè)為3%，氣凝膠材料能夠搶占部分高端市場，參考目前聚氨酯材料在中國建筑保溫市場 10%的滲透率。那么至 2030 年，新增外墻面積達 9.3 億平米，假設(shè)按照 10%的滲透 率計算，氣凝膠材料在外墻中的應(yīng)用量達 9302 萬平方米。現(xiàn)有的技術(shù)專利顯示， 大多數(shù)氣凝膠材料是以單層毛氈的形式應(yīng)用于墻體材料中，按照 10mm 氣凝膠氈 80 元/平方米測算，氣凝膠外墻保溫材料的潛在市場規(guī)模可達 11 億美元。

 

 

氣凝膠憑借其阻熱能力強、輕質(zhì)、無毒、易降解等優(yōu)勢，成為一種理想的內(nèi)墻保溫材料，測算潛在市場規(guī)模達到 9 億美元。由于氣候和生活習慣差異，我國南、北方 對內(nèi)墻保溫材料的偏好呈現(xiàn)明顯的不同，內(nèi)墻保溫材料在北方更加受到青睞，目前 常用的內(nèi)墻保溫材料主要有聚氨酯發(fā)泡材料和保溫板材，其中以后者為主。2019 年 房屋竣工面積為 9.6 億平方米，內(nèi)墻面積通常按照建筑面積 2.7 倍計算，2019 年新 增內(nèi)墻面積為 25.92 億平方米。內(nèi)墻保溫材料的需求主要存在于我國長江以北的地 區(qū)，則存在內(nèi)墻保溫材料需求的面積約占全國新增內(nèi)墻面積 55%。據(jù)《新型墻材推 廣應(yīng)用行動方案》要求，新建建筑中新型保溫墻材應(yīng)用比例需要達到 90%，則新增 保溫內(nèi)墻面積約為 12.83 億平方米。假設(shè)未來十年我國房屋竣工面積的復(fù)合增長率 為 3%，假設(shè)氣凝膠內(nèi)墻應(yīng)用滲透率達到 2%，那么至 2030 年，我國新增內(nèi)墻面積 35.88 億平方米，氣凝膠內(nèi)墻保溫材料的需求量約為 7176 萬平方米。按照 10mm 氣 凝膠氈 80 元/平方米測算，氣凝膠內(nèi)墻保溫材料的潛在市場規(guī)?？蛇_ 9 億美元。

 

2.3.2. 建筑涂料新市場有望打開

 

保溫涂料是涂料市場的一個分支，氣凝膠材料將參與到未來涂料市場的競爭中。2019 年全球涂料市場規(guī)模約 9195 億元，其中建筑涂料占比 39%，中國涂料市場為3000 億元，建筑涂料占比 29%。

 

 

一般而言，涂料根據(jù)化學屬性可以分為有機涂料和無機涂料，其中有機涂料按用途 可以分為建筑涂料、OEM 涂料（Original Equipment Manufacture，相當于國內(nèi)常用 的工業(yè)涂料）和特種涂料三大類。

 

 

氣凝膠涂料具有防火阻燃、隔音降噪、降低建筑無機垃圾處理難度，簡化施工工序 等優(yōu)點，后期將廣泛應(yīng)用在涂料市場。氣凝膠涂料是采用特殊工藝將氣凝膠粉體分 散在專用高性能樹脂乳液中，或與無機粘結(jié)劑體系復(fù)合制備而成的具有保溫隔熱、 隔音降噪、抗震、防火等功能的水性涂料，水性氣凝膠涂料以 SiO 氣凝膠作為主 要功能性填料，以水為溶劑，無機體系，安全環(huán)保，關(guān)注度較高。

 

 

國內(nèi)用于建筑保溫的氣凝膠涂料潛在市場規(guī)模達 9 億美元。從市場需求看，保溫屬 性可以使普通建筑涂料廣受歡迎。2019 年中國建筑涂料產(chǎn)量為 694 萬噸，同比增長 7%。2019 年我國建筑涂料人均產(chǎn)量僅為 5.0 千克/人，顯著低于美國的 7.9 千克/人， 隨著未來存量需求的不斷釋放，人均產(chǎn)量的提升將帶動建筑涂料產(chǎn)量的不斷增長， 同時輕量、環(huán)保且具有保溫特性的氣凝膠涂料也會受到更多消費者的青睞。假設(shè)十 年內(nèi)我國人均建筑涂料產(chǎn)量達到 7.9 千克/人，則 2030 年我國建筑建筑涂料產(chǎn)量為 1106 萬噸，同時考慮到客戶對功能性建筑涂料的青睞，我們假設(shè)未來十年內(nèi)，氣凝 膠環(huán)保類保溫涂料的市場滲透率為 10%。按照目前幾種氣凝膠涂料專利方法中氣凝 膠質(zhì)量組分情況，假設(shè)涂料中添加氣凝膠質(zhì)量占比為 12%，則我國每年有 5.3 萬噸 的氣凝膠涂料需求，按照目前 SiO2 氣凝膠涂料的市場價 45 元/kg 進行計算，則該應(yīng) 用領(lǐng)域的潛在市場約 9 億美元。

 

2.3.3. 氣凝膠玻璃對 Low-E 玻璃形成替代

 

氣凝膠材料也可制備節(jié)能玻璃，對傳統(tǒng)的 Low-E 鍍膜玻璃形成一定替代。通過兩 片玻璃，中間夾填氣凝膠，形成“三明治”結(jié)構(gòu)，具有很好的保溫隔熱、隔音、防火 等性能。氣凝膠節(jié)能玻璃可用于節(jié)能要求較高的建筑，同時可取代高層建筑一般幕 墻玻璃，大大減輕建筑物自重，并起防火作用。相對于其他種類玻璃而言，氣凝膠 玻璃能幫助建筑更好地實現(xiàn)節(jié)能與舒適、環(huán)境方面三者平衡。

 

2.4. 高科技服裝逐步打開應(yīng)用

 

氣凝膠材料用來制作戶外防護用品具有較大優(yōu)勢，能夠加工出更加輕薄且保溫性能 同樣優(yōu)異的衣物。氣凝膠制作的材料熱導率比市面上羽絨服填充物白鴨絨低，是空 氣熱導率的一半。將氣凝膠制成成衣，在相同保暖效果下氣凝膠成衣厚度是傳統(tǒng)保 暖服裝的 1/4。

 

 

目前國內(nèi)應(yīng)用氣凝膠技術(shù)制作成衣的廠商主要有 OROS、SUPILD、龍牙等，OROS是一家于 2015 年在 Kickstarter 網(wǎng)站上通過眾籌活動成立的高科技外套生產(chǎn)商，主要 為戶外探險提供外套和沖鋒衣，其產(chǎn)品采用 SolarCore 氣凝膠隔熱材料，這種材料 與美國國家航空航天局(NASA)在最惡劣的環(huán)境中使用的保護火星探測器和宇航服 的絕緣材料類似。SUPILD 是一家專注于開發(fā)及運用紡織新材料的先進科技服飾品 牌，分別在美國硅谷及中國上海兩地建立了新材料研發(fā)中心和供應(yīng)鏈中心，已經(jīng)獲 得了國內(nèi)首份正式推向市場的氣凝膠服裝專利，成為中國氣凝膠服裝的開創(chuàng)者。

 

 

氣凝膠應(yīng)用于服裝制品可通過與復(fù)合纖維無紡布協(xié)同成復(fù)合材料，例如 P 棉 （Primalloft 保溫棉）將氣凝膠融合至復(fù)合纖維內(nèi)部，提高氣凝膠本身的機械性能， 同時讓纖維具有更加優(yōu)異的隔熱保溫性能，也可以通過與聚酯纖維完美結(jié)合制備出 氣凝膠纖維。根據(jù)相關(guān)專利數(shù)據(jù)，根據(jù)無紡布厚度和克數(shù)不同，通過相關(guān)制備工藝 可以制成 1-3mm 厚，摻雜氣凝膠濃度為 200-400g/㎡的二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料。

 

3

氣凝膠成本端改善，利于國內(nèi)發(fā)展

 

與傳統(tǒng)保溫材料相比，氣凝膠優(yōu)勢明顯，但缺點也仍然突出：生產(chǎn)成本高昂，產(chǎn)品價格昂貴。氣凝膠的生產(chǎn)成本主要集中在原材料硅源、設(shè)備折舊以及能耗方面。其 中設(shè)備折舊以及能耗成本約占產(chǎn)業(yè)鏈總成本的 6 成。有效降低成本一方面依賴于制 備工藝的突破，一方面通過低成本原材料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)。

 

 

 

3.1. 常壓工藝逐步成熟

 

常壓工藝逐步成主流選擇。氣凝膠制備成本占比約產(chǎn)業(yè)鏈總成本的 60%，根據(jù)美國 國家航空航天局數(shù)據(jù)，每磅氣凝膠平均制造成本高達 23000 美元。其中干燥工藝是 制約制備流程成本的主要因素。

 

全球常見干燥工藝分為常壓干燥工藝和超臨界干燥工藝。超臨界干燥工藝使用核心 設(shè)備為高壓釜，一般工作壓力高達 7~20MPa，屬于特種設(shè)備中的壓力容器，設(shè)備系 統(tǒng)較為復(fù)雜，運行和維護成本也較高，擴大生產(chǎn)規(guī)模的固定資產(chǎn)投入巨大。氣凝膠 未來如果迎接建筑保溫的巨大市場，就需要達到年產(chǎn) 50 萬立方米以上，采用超臨 界干燥技術(shù)的設(shè)備投入將高達數(shù)十億，十分不利于氣凝膠企業(yè)的規(guī)模擴張。而常壓 干燥技術(shù)隨著規(guī)模擴大，投入產(chǎn)出比會進一步提高，實現(xiàn)以較少投資獲得較大生產(chǎn) 規(guī)模，因而更能適應(yīng)未來大規(guī)模生產(chǎn)的需要。此外，受限于硅源，超臨界的原料成 本降低空間有限，只能通過優(yōu)化系統(tǒng)提高生產(chǎn)效率，而常壓干燥對廉價硅源有較強 接納能力，流程優(yōu)化方面也有較高自由度，因而擁有更大的成本下降空間。

 

2004 年我國氣凝膠材料商業(yè)化以來，氣凝膠制備工藝優(yōu)化取得了持續(xù)突破性進展。制備成本大幅下降。氣凝膠材料走出實驗室，實現(xiàn)了從年產(chǎn)千立方米到萬立方米級 的規(guī)?；a(chǎn)，而制備工藝也逐步實現(xiàn)更新?lián)Q代，用成本較低的無機硅源搭配優(yōu)化 的常壓制備工藝取代原有的成本較高、周期較長的有機硅源超臨界制備工藝，所生 產(chǎn)出的氣凝膠質(zhì)量達到了超臨界干燥工藝的技術(shù)指標，且大大縮短了投資回報期， 從根本上脫離了由于超臨界干燥所帶來的各種弊端，制造成本降低至超臨界工藝的 1/20。我們預(yù)計未來氣凝膠制備的發(fā)展方向仍為常壓干燥技術(shù)的硅源選擇和流程組 合優(yōu)化，制備成本將進一步降低至與傳統(tǒng)保溫材料制備相當。而超臨界技術(shù)雖然制 備成本的下降難度較大，但由于產(chǎn)品純度極高，在軍工、航天等特殊領(lǐng)域市場具有 不可替代性，未來將共存于市場。

 

 

3.2. 硅源供給得到釋放，緩解成本端壓力

 

硅源材料根據(jù)干燥方式以及制備方法種類的不同，主要分為無機硅源，包括四氯化 硅和水玻璃，以及有機硅源，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?，F(xiàn)在 TMOS 價格 500ML 在 300-400 元之間，TEOS 價格 500ML 在 50-100 元之間；而水玻璃價格在 500-1000 元/噸，四氯化硅價格在 5000-6000 元/噸，相比之下有機硅源的成本要高很多。水玻璃價格低廉，但是雜質(zhì) 較多，去除雜質(zhì)的工藝較為繁瑣，目前主要應(yīng)用于常壓干燥技術(shù)中。

 

3.2.1. 四氯化硅供給充足，支撐常壓工藝發(fā)展

 

四氯化硅作為無機硅源，其兼?zhèn)涞某杀緝?yōu)勢以及雜質(zhì)去除技術(shù)的突破為循環(huán)利用創(chuàng) 造了條件。四氯化硅大部分為多晶硅副產(chǎn)物。我國從 2015 年至今，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng) 打破國外技術(shù)壁壘，提純技術(shù)已經(jīng)在不斷突破，在金屬離子雜質(zhì)的去除方面已有較 好的表現(xiàn)，并且實現(xiàn)了電子級四氯化硅的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。通過副產(chǎn)物四氯化硅制備氣 凝膠，可以將多晶硅產(chǎn)業(yè)和氣凝膠產(chǎn)業(yè)結(jié)合，形成產(chǎn)業(yè)鏈，變廢為寶。據(jù)統(tǒng)計每生 產(chǎn) 1 千克多晶硅將產(chǎn)生 10～15 千克四氯化硅，隨著多晶硅下游光伏行業(yè)的快速發(fā) 展，2015-2019 年中國多晶硅年產(chǎn)量從 16.5 萬噸增長至 34.2 萬噸，復(fù)合增速 20%。預(yù)計到 2025 年我國多晶硅年產(chǎn)量將達到 102.2 萬噸，副產(chǎn)的四氯化硅就將達 1022 萬～1533 萬噸。原材料充足以及產(chǎn)業(yè)鏈一體化的形成將有效降低氣凝膠材料成本中 樞，在市場上的替代效應(yīng)更為明顯。

 

 

3.2.2. 功能性硅烷需求景氣帶動供給擴張，解決超臨界工藝的硅源問題

 

有機硅源純度高，工藝適應(yīng)性好，可同時滿足超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝的純 度要求，目前國內(nèi)外采用超臨界干燥工藝的企業(yè)基本上都是采用有機硅源。據(jù)市場 調(diào)研機構(gòu) Markets and Markets 發(fā)布報告顯示，全球功能性硅烷市場規(guī)模將從 2015 年的 13.3 億美元增加至 2020 年的 17 億美元，年復(fù)合增長率約為 5%。其中亞太地 區(qū)硅烷需求強勁，是推動全球硅烷市場增長的主要因素。中國作為世界主要硅烷消 費國，將引領(lǐng)亞太地區(qū)硅烷市場的發(fā)展。此外，巴西和印度等其他新型經(jīng)濟體硅烷 市場也將伴隨本國經(jīng)濟增長而逐步壯大。全球功能性硅烷主要用于橡膠加工、粘合 劑、復(fù)合材料等領(lǐng)域。供應(yīng)端，2018 年全球功能性硅烷產(chǎn)能約為 59.6 萬噸/，產(chǎn)量約為 41.5 萬噸。中國是最大的生產(chǎn)大國，其目前的產(chǎn)能占到了世界產(chǎn)能的 68.4%。其次是美國、日本和德國，產(chǎn)能分別占比 8.9%、7.8%和 6.1%，另外還有英國、意大利、韓國、比利時和新加坡，分別占比 2.0%、1.9%、1.1%、0.8%和 0.5%。雖然 東南亞地區(qū)目前產(chǎn)能占比較小，但未來上漲空間較大。

 

根據(jù)德國瓦克年度報告，人均 GDP 水平與人均有機硅消費量基本呈正比關(guān)系，而 且低收入國家有機硅需求增長對收入增長的彈性更大。近年來，伴隨著經(jīng)濟快速增 長，我國已成為全球最大的功能性硅烷生產(chǎn)、消費與出口國。

 

我國功能性硅烷價格有望下行。根據(jù) SAGSI 數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2011-2019 年，我國功能性 硅烷產(chǎn)能由 18.80 萬噸迅速增長到 43.1 萬噸，年產(chǎn)量也從 11.1 萬噸提高到 27.9 萬噸。2017 年之前，由于產(chǎn)能擴張較快，伴隨供給側(cè)改革及環(huán)保督查等因素綜合影響下，中小企業(yè)大面積關(guān)停，行業(yè)整體開工率不高。之后我國硅烷行業(yè)開工率持續(xù)改善， 分別在 2017 年和 2018 年達到 58.6%和 64.6%。2019 年初以來，全球主要經(jīng)濟體均 出現(xiàn)不同程度的增長放緩跡象，以中美及歐美貿(mào)易摩擦、英國脫歐為代表的“逆全 球化”行為進一步?jīng)_擊世界各國經(jīng)濟。在下游需求增速有所放緩、行業(yè)供應(yīng)能力繼 續(xù)提高的情況下，2019 年我國硅烷行業(yè)開工率同比基本保持穩(wěn)定。伴隨 2020 年功 能性硅烷生產(chǎn)企業(yè)晨光新材、宏柏新材等的上市和亞拓化工等項目投產(chǎn)，我國功能性硅烷產(chǎn)能將新增超過 16 萬噸。供需差的進一步擴大有望帶動功能性硅烷平均價格水平下降，為氣凝膠成本下降帶來空間。

 

硅烷交聯(lián)劑逐漸擺脫進口依賴。出口方面，2019 年我國功能性硅烷出口量較 2018 年小幅下降，達到 9.14 萬噸，我國出口的硅烷品種主要為含硫硅烷，主要出口市場 為美國、印度、韓國、日本等國家或地區(qū)。我國進口的硅烷品種主要為環(huán)氧基硅烷 及交聯(lián)劑，主要來自美國、日本和韓國。而氣凝膠主要的有機硅源 TMOS、TEOS、 甲基三甲氧基硅烷等均屬于脫醇型交聯(lián)劑，這也是有機硅源成本昂貴的主要原因之 一。隨著我國未來硅烷交聯(lián)劑產(chǎn)能的大幅擴張，氣凝膠的有機硅源將逐漸擺脫進口依賴，自給率提升帶來的成本效益會更加明顯。

 

市場趨勢來看，隨著新能源汽車、復(fù)合材料和表面處理等新興市場需求的壯大成熟， 加之我國功能性硅烷人均消費量仍低于發(fā)達國家，未來我國功能性硅烷的產(chǎn)銷量會 繼續(xù)增長，增速保持穩(wěn)定。根據(jù) SAGSI 估計，到 2025 年，功能性硅烷總產(chǎn)能將達 到 80.1 萬噸，總產(chǎn)量將達到 55.5 萬噸，同期消費量將達 34.1 萬。規(guī)模效應(yīng)以及供 需的絕對差異增大會降低硅烷整體平均價格水平。

 

產(chǎn)品趨勢來看，經(jīng)過多年的發(fā)展，我國功能性硅烷的品種、質(zhì)量以及產(chǎn)量均得到大 幅提升，隨著太陽能、鋰電池、LED 燈具，5G 網(wǎng)絡(luò)等新興行業(yè)發(fā)展迅猛，對密封 膠及粘合劑特定種類的需求也越來越分化，如在室溫硫化硅橡膠中，中性膠需求增 長較快，使得脫酮肟型膠成為市場主流，酸型膠則呈萎縮態(tài)勢，未來中性膠發(fā)展將 是大勢所趨。此外，國內(nèi)高端功能性硅烷發(fā)展非常迅猛，交聯(lián)劑等高端硅烷產(chǎn)品技 術(shù)不斷突破，未來我國功能性硅烷將向著高端化、專一化、新型化方向發(fā)展。

 

競爭趨勢來看，最近幾年功能性硅烷行業(yè)在爆發(fā)式的增長后出現(xiàn)了明顯的整合，部 分小企業(yè)陸續(xù)退出，產(chǎn)能向大型企業(yè)集中的趨勢較為明顯。2020 年龍頭企業(yè)新產(chǎn)能 陸續(xù)投產(chǎn)，產(chǎn)能的大規(guī)模釋放將對功能性硅烷行業(yè)供需關(guān)系起到?jīng)_擊作用。且新增產(chǎn)能大部分為國內(nèi)尚存缺口的硅烷種類，這部分缺口的填補將提高我國產(chǎn)品 的議價能力。

 

在現(xiàn)有隔熱保溫市場上，傳統(tǒng)保溫材料成本一平方米幾十元，而氣凝膠保溫材料歸 因于規(guī)?；a(chǎn)的實現(xiàn)，成本從兩三年前每平方米 200 元以上，到現(xiàn)在降到了 100 多元。但目前氣凝膠的價格與市場接受程度還有差距。一旦氣凝膠材料生產(chǎn)成本得 以顯著下降，市場價格下降至可對比水平，市場規(guī)模就會急劇擴大。

 

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海外氣凝膠企業(yè)成長復(fù)盤

 

根據(jù) IDTechEx 2019 年發(fā)布的市場報告，企業(yè)發(fā)展所處生命周期可以分為概念階段、 早期半商業(yè)原型階段、半商業(yè)試運行階段、早期商業(yè)化階段、全面上市階段、市場滲透階段以及成熟階段。企業(yè)處于后兩個階段意味著已經(jīng)在市場占據(jù)一定的份額， 其中包括 Aspen Aerogels，Inc.、Cabot 以及 Armacell Jios Aerogels Ltd(“AJA”)。

 

 

4.1. Aspen Aerogel

 

Aspen Aerogels 是美國航空航天局下屬的氣凝膠技術(shù)公司，致力于設(shè)計、開發(fā)和制 造創(chuàng)新的高性能氣凝膠隔熱材料，主要用于能源基礎(chǔ)設(shè)施和建材市場。該公司在氣 凝膠技術(shù)領(lǐng)域的研究與開發(fā)，得到美國聯(lián)邦及其他政府機構(gòu)的資助。

 

Aspen Aerogels 生產(chǎn)的氣凝膠絕熱材料已經(jīng)過嚴格的技術(shù)驗證，被世界上多家大型 石油生產(chǎn)商、煉油廠、石化廠、液化天然氣設(shè)施以及發(fā)電和配電資產(chǎn)（例如?？松?美孚，PTT LNG，Dominion Resources，荷蘭皇家殼牌公司）使用。如今 Aspen Aerogels 與?？松梨谠跓捰秃褪I(lǐng)域建立了技術(shù)和商業(yè)關(guān)系，與 TechnipFMC 在近海石 油領(lǐng)域的應(yīng)用以及與 BASF 在建筑材料市場均開展了合作。

 

2008年Aspen Aerogels 推出兩條主要產(chǎn)品線：Pyrogel(熱凝膠)和Cryogel（低溫凝膠）， 產(chǎn)品收入從 2008 年的 1720 萬美元增長到 2019 年的 1.37 億美元，年復(fù)合增長率約 為 21％。截止到 2019 年底，公司的氣凝膠氈產(chǎn)能達到了 5500 萬平方英尺，到 2020 年底 EP20 項目將推進氣凝膠氈項目產(chǎn)能達到 6000 萬平方英尺。

 

銷售地區(qū)分布上，公司 2019 年營收美洲和亞洲占比分別為 41%和 32%，美洲地區(qū) 營收占比呈現(xiàn)略微上升趨勢，而亞洲地區(qū)由于專利封鎖以及中美貿(mào)易緊張的影響小 幅下降。由于研發(fā)支出以及業(yè)務(wù)擴張支出較大，Aspen Aerogel 已經(jīng)連續(xù) 5 年處于凈 虧損狀態(tài)。2020 年公司將停止研發(fā)合同，聚焦于現(xiàn)有的業(yè)務(wù)以及新市場的開拓。

 

我們認為，Aspen Aerogels 可成為全球氣凝膠企業(yè)成長的教科書。Aspen Aerogels 氣凝膠的發(fā)展歷程，有很多值得借鑒的經(jīng)驗：

 

（1）成熟領(lǐng)先的工藝技術(shù)。其氣凝膠產(chǎn)品生產(chǎn)的核心原材料是硅前驅(qū)體。制備半 固態(tài)醇凝膠，在二氧化硅結(jié)構(gòu)中填充乙醇，再通過超臨界萃取過程，用空氣從凝膠 中除去乙醇，從而防止凝膠中的固體基質(zhì)因毛細管力而崩潰。關(guān)鍵步驟涉及到凝膠 制備、鑄造、老化、萃取、熱處理、涂層和質(zhì)量控制等。

 

（2）產(chǎn)品升級深化，大客戶業(yè)務(wù)彈性較大。產(chǎn)品下游從最主要的煉油、天然氣、 發(fā)電等能源基礎(chǔ)設(shè)施板塊延伸到冷熱電器、冷藏設(shè)備、汽車、飛機、火車和電子行 業(yè)的零部件和系統(tǒng)制造商，以及戶外裝備和服裝制造商等新興板塊；受眾客戶群體 大，合作客戶多為世界五百強企業(yè)，氣凝膠前景獲得廣泛認可，客戶需求彈性較大。

 

（3）持續(xù)的研發(fā)投入，延長產(chǎn)品生命周期，保持競爭力。作為美國航空航天局下 屬的技術(shù)公司，Aspen Aerogels 不光自身注重研發(fā)投入，美國聯(lián)邦以及其他政府機 構(gòu)每年贊助超過 100 萬美元用于公司氣凝膠新技術(shù)開發(fā)，從成立到 2019 年 12 月 31 日，政府共資助 5830 萬美元支持公司研發(fā)，研發(fā)占比在全球氣凝膠行業(yè)中保持高 位領(lǐng)先，每年的研究收入也超過了 200 萬美元。專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先，截至 2019 年 12 月 31 日，Aspen Aerogels 已擁有 145 項氣凝膠相關(guān)授權(quán)專利，還有 96 項專利正 在申請中，相比于國內(nèi)企業(yè)個位數(shù)的相關(guān)專利，技術(shù)壁壘較高，有助于延長產(chǎn)品的生命周期。

 

 

4.2. Cabot

 

Cabot 是一家全球特種化學品和功能材料公司，總部位于馬薩諸塞州波士頓。主要 產(chǎn)品包括橡膠和特種級炭黑，特種化合物，氣相金屬氧化物，活性炭，噴墨著色劑 和氣凝膠。截止到 2019 年 6 月 28 日，Cabot 業(yè)務(wù)分為四個部分：增強材料（氣凝 膠屬于該范疇）、高性能化學品、凈化解決方案和特種流體（自 2019 年 6 月 28 日 起剝離）。2019 年公司營業(yè)收入達到 33.37 億美元。

 

2015 年至 2019 年，Cabot 銷售國家中美國、中國的占比逐漸升高。2019 年特殊化 學品銷售地區(qū)分布中，亞太已經(jīng)成為營收占比最高地區(qū)，達到 35.48%。凸顯了 Cabot 對于中國市場布局的重視程度。2017 年 7 月 20 日，Cabot 與加新科技簽署了戰(zhàn)略合 作協(xié)議，加新科技成為 Cabot 氣凝膠產(chǎn)品大中華區(qū)唯一指定總代理，以及氣凝膠技術(shù)的共同研發(fā)方。2020 年 1 月 7 日，Cabot 收購了中國領(lǐng)先的碳納米管（CNT）生 產(chǎn)商深圳三順納米新材料有限公司，旨在增強 Cabot 在電池市場的市場份額，尤其 是中國電動汽車市場的地位和配方能力，也為未來氣凝膠板塊業(yè)務(wù)在汽車領(lǐng)域的市 場份額提前布局。

 

 

 

4.3. AJA

 

Armacell Jios Aerogels Ltd. (以下簡稱“AJA”)是 2016 年 11 月由設(shè)備絕緣市場柔性泡 沫的全球領(lǐng)導者和工程泡沫的領(lǐng)先供應(yīng)商 Armacell International S.A. （以下簡稱 “Armacell”）以及韓國氣凝膠制造商 JIOS Aerogel Ltd. (以下簡稱“JIOS”)共同成 立的合資企業(yè)。由 Armacell 提供氣凝膠氈生產(chǎn)設(shè)備、工業(yè)化認證以及全球分銷網(wǎng)絡(luò)， JIOS 貢獻其超過 30 個關(guān)于氣凝膠的工藝技術(shù)、專有制造技術(shù)以及知識產(chǎn)權(quán)。2019 年 8 月，韓國天安（AJA 氣凝膠生產(chǎn)基地）的工業(yè)級氣凝膠生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，意味 著 Armacell 的氣凝膠氈年產(chǎn)能由原來的 250000 平方米提高到 750000 平方米。

 

Armacell 的氣凝膠業(yè)務(wù)歸屬于高級絕緣材料部門，2015 年至 2019 年，Armacell 高 級絕緣材料銷售額穩(wěn)步增長，其中銷售地區(qū)主要分布于歐美，而應(yīng)用領(lǐng)域主要分布在供熱通風和管道系統(tǒng)，也是氣凝膠現(xiàn)在的主要應(yīng)用市場。現(xiàn)有市場份額的逐步擴 大以及新興市場的應(yīng)用開拓會持續(xù)促進氣凝膠在全球的普及。

 

 

 

4.4. 氣凝膠全球市場長期向好，國內(nèi)快速擴張

 

全球氣凝膠市場規(guī)模從 2013 年的 2.22 億美元發(fā)展到 2019 年的 7.01 億美元，年復(fù) 合增長率為 21.14%。近兩年亞太地區(qū)特別是中國氣凝膠產(chǎn)業(yè)快速崛起。據(jù) Allied Research 預(yù)計，2025 年全球氣凝膠行業(yè)的市場規(guī)模將遠超 22 億美元。

 

 

 

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，2019 年我國二氧化硅氣凝膠材料市場規(guī)模為 11.23 億元，2014 年以來復(fù)合增長率為 40.24%；2019 年我國二氧化硅氣凝膠制品市場規(guī)模為 15.56 億 元，2014 年以來復(fù)合增長率為 53.43%，國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)品增速明顯快于全球。氣凝膠產(chǎn)品主要分為氣凝膠材料和氣凝膠制品，其中氣凝膠材料相較于制品生產(chǎn)難 度小，故占據(jù)更多份額，2019 年我國氣凝膠材料占比達 58%，氣凝膠制品占比為 42%，行業(yè)集中度較高。國內(nèi)氣凝膠產(chǎn)業(yè)主要以中低端初級產(chǎn)品為主，大部分氣凝 膠企業(yè)所產(chǎn)產(chǎn)品為氣凝膠粉體顆粒，氣凝膠復(fù)合材料產(chǎn)能有限。但其中不乏出現(xiàn)一 些自主創(chuàng)新企業(yè)逐漸開發(fā)出自有品牌復(fù)合材料，在國內(nèi)國際均受到認可。

 

國內(nèi)自主崛起，技術(shù)逐步成熟，產(chǎn)能快速擴張。我國氣凝膠市場起步較晚，前期主 要是采購國外氣凝膠產(chǎn)品，價格較昂貴，市場推廣力度也較小，近年來隨著國內(nèi)氣 凝膠技術(shù)成熟，產(chǎn)能增多，規(guī)模不斷擴大，成本下降，再得益于國內(nèi)節(jié)能減排政策 推行和經(jīng)濟體量的的迅速擴大，氣凝膠行業(yè)駛?cè)肓丝熨惖馈?018 年美國 Aspen 公司 發(fā)起對華的 337 調(diào)查，一定程度上倒逼了國內(nèi)自主崛起，在學習和借鑒國外先進制 備工藝時，注重自主創(chuàng)新，規(guī)避知識產(chǎn)權(quán)競爭?？傮w來看，現(xiàn)在我國氣凝膠行業(yè)仍 處于早期發(fā)展階段，未來氣凝膠材料的發(fā)展趨勢仍然是降低成本，提升材料隔熱性 能，升級深化復(fù)材應(yīng)用。作為新興材料，相信國內(nèi)會給予更多政策及研發(fā)支持。

 

國內(nèi)主流企業(yè)目前包括埃力生高新科技有限公司、中國化學華陸科技有限公司、愛 彼愛和新材料有限公司等。埃力生開創(chuàng)了國內(nèi)完整、連續(xù)的氣凝膠隔熱材料大型產(chǎn) 業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),具備大型工業(yè)化生產(chǎn)氣凝膠及氣凝膠復(fù)合隔熱材料能力,現(xiàn)已發(fā)展成 為國內(nèi)第一家、全球第二大能規(guī)?；a(chǎn)氣凝膠材料的領(lǐng)軍企業(yè)。主要產(chǎn)品包括氣凝膠顆粒、氣凝膠氈以及氣凝膠板。華陸科技是中國化學全資子公司，前身是化工 部第六設(shè)計院，2020 年 7 月簽署納米氣凝膠復(fù)合材料一體化項目，總投資 40 億元， 分三期建設(shè)，建成后將成為中國領(lǐng)先、世界一流的集研發(fā)、生產(chǎn)、上下游供應(yīng)鏈為 一體的氣凝膠新材料產(chǎn)業(yè)基地。愛彼愛和是國內(nèi)最早介入氣凝膠工業(yè)化的企業(yè)之 一，2017 年初，愛彼愛和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全球單條產(chǎn)能最大的氣凝膠生產(chǎn)線調(diào)試、運行成功。全部達產(chǎn)后，愛彼愛和將具備 30,000M/年的氣凝膠材料生產(chǎn)能力。

 

整體來看，我國的氣凝膠產(chǎn)業(yè)在逐漸擺脫之前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)低端化嚴重，產(chǎn)品成本優(yōu) 勢不明顯等劣勢，行業(yè)的規(guī)模擴張進程加快?，F(xiàn)階段氣凝膠產(chǎn)品下游主要集中在油 氣、工業(yè)管道保溫領(lǐng)域。借鑒歐美日等發(fā)達國家及地區(qū)氣凝膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，建筑、 交通等領(lǐng)域氣凝膠未來市場潛力巨大。