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。