洪唯倫、潘宜明 / 永記造漆工業股份有限公司
2050年邁向淨零排放已是全球共識,聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)提及2030年減碳目標應達43%。能源的使用在工業製造業碳排放計算占有很大的比例,其中電能是主要影響因子。我國於2019年發電量為2,741億度,發電碳排放量占總排放量48.6%。除發電之外,能源部門其他能源使用(直接燃燒)的碳排量則占總排放量42.4%。因此,減少加熱裝置的熱散失,不僅可以獲得節能效益,更能對碳排放減少作出貢獻。新一代保溫隔熱材料氣凝膠塗料能有效阻絕熱散失並具有防燙效果,方便噴塗施工於工業管線儲槽表面。本文將針對氣凝膠材料特性、發展歷史、市場應用進行介紹,並以案例說明氣凝膠塗料實際施工於加熱儲槽之隔熱效果。
【內文精選】
何謂氣凝膠
其製程的方式主要可分為三個階段(圖三),簡述如下。
圖三、氣凝膠製備過程
1. 成膠預備(Precursor)
二氧化矽氣凝膠透過溶膠–凝膠(Sol-Gel)過程可以得到氣凝膠,其先驅物為矽酸甲酯(TMOS)或矽酸乙酯(TEOS)。首先將TMOS或TEOS等有機矽中加入水和催化劑進行水解反應後,再脫水縮聚,過程中反應物會生成初粒子並形成溶膠,溶膠粒子相互交聯,形成之三維結構即為凝膠,而目前也會使用水玻璃或矽酸鈉為矽源,可降低生產成本。
2. 凝膠熟化(Gelation)
凝膠在母液中熟化,水解和縮合反應會持續進行,使得分子間的鍵結力更強,三維網絡結構逐漸變強,氣凝膠結構趨於穩定。後續乾燥過程時,凝膠較不易收縮導致內部結構塌陷,此外也可通過控制酸鹼度、水解和縮合反應速率來調整膠體結構和大小。
3. 乾燥(Dry)
乾燥是氣凝膠製備上最重要的步驟。由於乾燥的過程中強大的毛細現象會使凝膠結構破碎與變形,若使用常溫的安全速率乾燥會耗時超過一年以上,無法廣泛地應用在商業產品上。因此,較快速且有效的乾燥法為超臨界乾燥法(Super Critical Dry)。透過高溫高壓的條件下,可使凝膠孔隙內的液體達成超臨界狀態,不會生成氣液界面,減壓後孔隙中的液體可直接轉變成氣體,進而得到無破碎的氣凝膠。
氣凝膠的特性
一般而言,熱的傳遞方式可分為熱傳導、熱對流、熱輻射,而氣凝膠幾乎能夠阻隔其中熱傳導與熱對流帶來的熱量轉移。由於氣凝膠孔隙率可達95%以上,孔隙中充滿著空氣,而空氣是熱的不良導體,舉例來說烤箱中的溫度雖然是150˚C,但是手伸進去時並不會立即燙傷,便是因為空氣的導熱性差。另外就熱對流而言,由於氣凝膠的孔洞尺寸大多低於空氣平均自由路徑(Mean Free Path of Air)的67 nm,也會使得空氣無法跨越凝膠表面進行對流(圖六)。
圖六、氣凝膠的隔熱原理
氣凝膠的應用
2. 電動車用電池隔熱
隨著新能源汽車市場的擴大及銷量提升,電動車起火、爆炸事故頻繁,主要的原因在於電池故障。新能源汽車常用的鋰電池具有熱失控等安全隱患,內部易短路,因此對鋰電池進行熱管理是必要的。氣凝膠材料可用於新能源汽車電池包、模組Pack等處,以提高耐火性能、阻隔電池熱擴散、延緩電池火焰蔓延、避免高溫下電池組絕緣失效等作用,從而降低新能源汽車發生故障的機率。
4. 航太科技
在航空方面的應用,由於氣凝膠輕質且絕熱的特性,NASA團隊除了將它運用在太空衣外,也用於太空梭中,有助於太空梭降落時的減速以及隔絕通過大氣層時所產生大量的熱,使太空梭可以更安全地通過大氣層;另外由於氣凝膠的獨特網狀結構,也被應用來收集太空中的星塵,以利科學家進一步的分析。
氣凝膠隔熱塗料
目前氣凝膠隔熱塗料的製備方式,為將氣凝膠顆粒均勻分散至水性丙烯酸樹脂中。由於氣凝膠顆粒具有疏水性,水性樹脂無法進入氣凝膠孔洞破壞結構,使得塗料中氣凝膠顆粒保有空氣具備低熱傳導的特性。氣凝膠塗料施工於工業管線上除了節能保溫,亦有防止人員接觸到高溫管線燙傷之效果。燙傷的產生根據以下三個因子:①接觸表面溫度,②表面物質的熱傳導係數,③與表面接觸時間。金屬物質比起非金屬物質有較高的熱傳導係數,越高的熱傳導係數物質越容易傳導熱能量,使皮膚接觸後進而引起燙傷。氣凝膠隔熱塗料具有低熱傳導係數,可防止人員接觸工業管線表面後因熱能量傳遞至皮膚造成燙傷 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》447期,更多資料請見下方附檔。