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節能新材料——氣凝膠

2009/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 940

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▓撰文:張育誠、吳國光、焦鴻文 ▓圖片提供:工研院能環所

「氣凝膠」為目前先進隔熱材料之一,主要本身具備高孔隙率、高比表面積、質輕及低熱傳導率之材料特性,同時也因具有複合其他有機材料之變異性,誘發出各式各樣之應用產品,可有效抑制熱傳損失,提高能源使用效率。

能源消耗與環境保護可說是一體兩面之議題,若能有效解決能源消耗問題,對於環境保護則有正面效果。意味著減少燃料消耗必須從無形的能源浪費著手,進而減少由燃燒所產生之副產物(如CO、SOx、NOx、Particulate)造成環境空氣污染。一般而言,化石能源主要用戶端為蒸汽動力機組,亦是為能源消耗最大部門,但是,總輸入熱量中大約有10~25%因隔熱或保溫效果不良而造成熱損失(Heat Loss)。因此,隔熱材料性能良窳對於能源損耗亦將是關鍵因素。

隔熱材料

隔熱材料主要是降低在高溫下之熱傳導效果,盡可能的抑制熱的移動為目的,此種材料有助於抑制熱量經由傳導、對流或輻射等3種方式,所造成之熱損失。因此,隔熱材料大多具備多孔特性,有效降低材料熱傳導率。

隔熱材料產品應用於高溫環境狀態下,將與氣體、液體及固體等接觸發生化學反應,並且需面對機械磨損、熱震損、熱剝裂以及機械應力等外力造成損壞,故其品質為工業界使用之重大影響因素。隔熱材料對於溫度梯度之存在,會產生熱的流動,高溫熱量往低溫處傳遞,此傳遞係數即為熱傳導之能力。其中,隔熱材料產品的熱傳導特性,影響因素包含:孔隙率、化學組成及晶體結構等。一般低熱傳導係數及高孔隙率,為材料絕熱性之要求,其隔熱效果將影響材料之使用厚度,進而決定應用之成本。

氣凝膠特性

氣凝膠(Aerogel)為具有高孔隙網狀結構之隔熱材料,其中主要組成成分98%皆為空氣,外表近似透明,因此,又有人稱之為凝固的煙(Frozen Smoke),為現存固體中具有最佳隔熱性質之材料。氣凝膠發展至今技術層次不斷提升,主要原因為此種材質具備獨特之性能及應用潛力,持續擴大相關產品之應用範疇。

氣凝膠是一種低密度、高孔隙率的輕質奈米非晶固態材料,其孔隙率可高達99.8%以上,材質本身具有許多微米尺度的微孔隙,其相關特性分別為:孔隙尺寸1~100nm、比表面積可達200~1,000m2╱g、密度僅有3~500kg╱m3,同時在可見光範圍下具高透明度(光傳輸於700nm時>90%),並且重量為空氣的3倍,是世界上最輕的固體之一。

氣凝膠於應用上之功能需求,可依據凝膠體製備程序設計不同,而達到不同的材料物性與機械強度。一般氣凝膠主要製程方式,是藉由化學液相法之溶膠凝膠方式製備而成,經由不同之製備參數及程序控制,可獲得不同型體之膠體,而膠體中之合成物種則可經由不同之化學藥劑形成,其所形成之合成物種將決定其材料特性。其中,溶膠經由凝膠化(Gelling)取得濕凝膠,再利用不同乾燥方式,製成乾凝膠或氣凝膠。在後段的改質與乾燥程序中,為決定材料物性關鍵因素之一。

目前氣凝膠已商品化的應用範圍包含:觸媒、隔熱材料、窗戶絕緣層、電解質或耐火物、光學鏡片、機身隔熱(引擎艙隔熱)、燃料儲存槽及顆粒探測器等。依據不同技術需求或商業化產品應用之選擇,其主要特性與應用如下說明。

一、透視度
氣凝膠具備低折射率特性,相當於擁有高透視度性能,此種優異高透視度之特性,將有利於氣凝膠應用於光學元件、放射性儀器及太陽光集罩等領域。

二、熱傳導係數
氣凝膠為低熱傳導係數之固體多孔性物質,而低熱傳導係數為此種材料最顯著的特性,也廣泛用於:建築、蒸汽管件、工業加熱爐、冷熱儲存裝置、汽車排氣管、運輸工具及飛機等。氣凝膠商業開發之主要特徵為隔熱材料之應用,其隔熱保溫領域之研發議題已備受矚目。

三、聲學與機械性
低傳音速率及機械特性,在超音波阻抗及吸音應用表現卓越,除此之外,氣凝膠也具備吸震材料之功能。

四、孔隙度與比表面積
當氣凝膠材質孔隙度大於85%,且比表面積大於400m2╱g時,此兩項特性將有效應用於過濾、乾燥劑、廢棄物包覆、氫燃料儲存等領域中。更成為觸媒與觸媒塗料的最佳材料,可應用於吸水或除臭等不同吸附用途。

五、電性
金屬氧化物及有機氣凝膠為高等電介質材料之一,其應用方式以氣凝膠型態加以區分,以塊狀氣凝膠材質而言,主要可應用於微波及高電壓絕緣體,而薄膜氣凝膠材質為IC理想電介質材料,並同時具備機械強度佳、高熱穩定性及低介電常數等優點。另外,應用方式以氣凝膠成分加以區分,以碳黑氣凝膠而言,主要功能為具有導電特性,可做為電池與電容器之電極,而金屬氧化物氣凝膠,則具備超導電、熱電及壓電特性。

氣凝膠隔熱原理

氣凝膠藉由固體粒子間非常微細的接觸,於熱量透過固體進行熱傳導行為時,熱傳導路徑將會受到侷限,達到隔熱功能目的。同樣的情形對於氣體熱傳導時,孔洞大小小於分子碰撞的平均自由路徑,導致氣體熱傳導受到抑制。表示氣體分子對固態網狀結構碰撞比自己本身碰撞頻率來的高。

另外,氣凝膠本身也具有相當抗輻射熱傳導,主要因為本身具有低的物質比例及非常高表面積。為提高氣凝膠之隔熱效能,以及降低熱傳導係數之要求,可採用較低的本質固態熱傳導係數材料,並降低氣凝膠的平均孔徑大小,或以增加氣凝膠的紅外線輻射消光係數等方式進行。

結語

隔熱材料需具備低熱傳導係數、高孔隙度、熱穩定性及良好機械強度等特性,然而對於有機或無機之材料恐無法符合其性能要求,唯尋求混成材料(Hybrid Materials)結合物性需求及機械強度,始符合隔熱材料之應用性。混成材料為以凡得瓦爾力、氫鍵、離子鍵或者共價鍵結進行混成,達到有機材料及無機材料之優異性能。由於,氣凝膠產品為一優異之混成材料,具有許多不同之材料特性,倘若結合氣凝膠低熱傳導係數及低傳播速度之雙重優點,則可廣泛應用於建築材料、工業設備及運輸工具等,有助於大幅提升節約能源之效益。(作者任職於工研院能環所工業節能技術組熱能應用與能源分析研究室)


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