塑膠專欄
氣凝膠節能隔熱複材應用及市場發展
複合材料
資源、能源和環境問題是目前國內經濟與社會發展的三大考驗，其中建築能耗(包括建造能耗、生活能耗與保暖空調能耗等)與工廠管線能耗是我國能源消耗中的重要組成部分，因此建築與工業上節能之潛力巨大，對於節約能源、降低碳與有害物質排放及實現可持續發展具有非常重要的作用。
建築與工業管線保溫隔熱材料用於減少熱損失提高節能效率，其中隔熱複材在建築上可有效降低建築空調負荷和空調能耗，是構建節能建築和實施節能改造的重要關鍵。而因此本文介紹新型多孔性二氧化矽(氣凝膠)隔熱材料於建築隔熱與節能的應用發展與發展前景。
1.奈米多孔洞二氧化矽──氣凝膠
氣凝膠(Aerogel)是一種具有奈米級多孔性(porous)的材料，一般以二氧化矽(Silica, SiO2)為主要結構，構成3-D 立體網狀的型式，氣凝膠的多孔結構中，空氣佔有80%以上的體積，因此密度極低，被稱為「被凍結的煙」(frozen smoke)。因為氣凝膠中，二氧化矽的粒子極小，所以一般氣凝膠呈現透明或是半透明。由於空氣的折射率(refractive index)為1，並且具有極佳的絕熱性質，使的富含空氣的氣凝膠擁有低折射率、低熱傳導係數(thermal conductivity) 與無毒性等優點，如下圖所示。這些優點被現今的科學家應用，使得氣凝膠慢慢地成為一個多功能的材料。
2.氣凝膠的特性
(1)高比表面積：氣凝膠的奈米級的多孔結構，使得其比表面積高達 1,000 m2/g 以上。因此常應用在觸媒上，除了觸媒的應用外，我們也可以利用高比表面積的特性，製備電極(electrode)，具有高比表面積的碳氣凝膠具有聚集大量電荷的能力，所以被用在製備電容或是電池上是由可摺疊的碳氣凝膠所製備而成的電極。
(2)低熱傳導係數：氣凝膠的孔隙率高達 80％ 以上，因此它的熱傳導係數可以低到 0.0015 W/m-K，大約是一般常見的隔熱材料硬質泡棉的 1/17。以一個較為簡單的比較來說，一塊氣凝膠的隔熱效果，相當於 10 ~ 20 塊玻璃，因此是一種優異的隔熱材料。也因為空氣占絕大部分的體積比率，所以氣凝膠的密度極低。
(3)低介電常數：介電常數越低，表示絕緣越好，氣凝膠具有極低的介電常數，可以低達1.1 左右，被廣泛的應用在IC(Integrated-Circuit)電路板上，為了避免之間交互作用，使的電路效率降低，因此必須在電路與電路之間加入絕緣層，二氧化矽氣凝膠在這，可以作為一個高效率的絕緣材，為了因應電子產品越做越小的趨勢，高效的絕緣材也越來越受到重視。
(4)低光折射率：空氣的折射率為1，氣凝膠內富含大量的空氣，所以在折射率上，可以達1.007~1.24 左右，被應用在發光材料上。
3.氣凝膠全球市場
氣凝膠產品的全球市場如下圖所示，從2010年的8510萬美元擴大到2011年的1億1050萬美元，2012年達到1億3750萬美元。2008年～2009年全球不景氣的影響減少之後，氣凝膠產品的銷售額開始復甦，從2010年開始到2012年以27.1% 的年複合成長率成長。成為阻礙隔熱、隔音材料大規模商業化最大因素是高單價。另一方面短期全球經濟的停頓，影響氣凝膠相關的幾個領域。但整體氣凝膠產品的銷售額，因高效能的隔熱材料的需求高漲，及環保建築市場擴大，環保節能相關法規的強化，醫療，個人保養品，能源，其他新用途的氣凝膠的有效利用等，今後5年將持續穩健成長。因此，氣凝膠產品的全體市場預計從2012年開始到2017年之間將以19.3％的年複合成長率增長。
4.氣凝膠的製備
氣凝膠一般使用溶膠－凝膠法製成的，反應步驟如下圖所示。製備二氧化矽氣凝膠的前驅物一般使用烷氧化矽類 (alkoxysilane)，將它與有機溶劑混和後添加酸觸媒，進行水解反應(hydrolysis)。水解一段時間後，再添加鹼觸媒進行縮和反應(condensation)，反應後會形成溶膠(sol)。溶膠是指極小的膠體粒子，在溶液中，受到凡得瓦爾力(van der waal force)與電雙層(electric double layer)的作用，產生布朗運動(Brownian motion)而均勻分散的溶液。溶膠內的分子繼續進行縮合反應鍵結，逐漸形成半固態的高分子凝膠，再經過一段時間的熟化(age)，膠體會形成結構穩定的3-D 立體網狀結構。最後使用溶劑清洗，去除未反應的前驅物與觸媒後，進行乾燥步驟。
5.氣凝膠的應用
氣凝膠因為其優越性質，所以在應用上非常的廣泛，其中包含了物理、化學、半導體、偵測器等領域。
(1)隔熱與防火材應用：氣凝膠為孔隙率高達 80％ 以上的無機物，所以隔熱效果與阻燃性質極佳。因此在建築工業上，氣凝膠隔熱複材可更有效地解決建築節能之難題，以輕薄的特性為特殊部位的絕熱提供解決方案。下圖為氣凝膠在建築材料中的應用示意圖。
(2) IC電路板：氣凝膠具有極低的介電常數，可以低達1.1 左右，被廣泛的應用在IC(Integrated-Circuit)電路板上，IC電路板是由一層一層的電路層推疊而成，為了避免之間交互作用，使的電路效率降低，因此必須在電路與電路之間加入絕緣層，二氧化矽氣凝膠在這，可以作為一個高效率的絕緣材，為了因應電子產品越做越小的趨勢，高效的絕緣材也越來越受到重視。
(3) 電極：氣凝膠具有高比表面積的特性，製備電極(electrode)，具有高比表面積的碳氣凝膠具有聚集大量電荷的能力，所以被用在製備電容或是電池上。
(4) 發光二極體：一般的有機發光二極體(OLED)，發光層塗佈在玻璃基板上，折射率的分佈為，發光層＞玻璃基板＞空氣，所以會有部份的光線在玻璃基板上被反射而浪費掉，因此科學家將氣凝膠塗佈在玻璃基板與發光層的中間，光線由折射率較低的氣凝膠層進入玻璃基板，可以減少光線的損失。
6.塑膠中心目前能量
早期的文獻中，二氧化矽氣凝膠大多使用超臨界乾燥程序進行乾燥，這將需要極高的成本，也使的製程上具有危險性。因此在近幾年，多數的研究團隊，開始傾向使用常壓乾燥的方式製備二氧化矽氣凝膠，不過因為在常壓下乾燥，乾燥的條件與方法非常的嚴苛，製備而得的產品在物理性質上，一直無法與超臨界乾燥所製備的氣凝膠相提並論，因此仍處於研究的階段。此外原料的價格也是影響成本的因素之一，塑膠中心將利用矽酸鈉（俗稱水玻璃）來替代過去所使用的四乙基氧矽烷(tetraethyl orthosilicate, TEOS)。一來可以大幅的降低成本，二來使用上更為安全。塑膠中心已開發一個較為理想的方法，改善以往常壓乾燥製備的方式，將氣凝膠導入玻纖複材中，再搭配連續製程如下圖所示，獲得具有低密度、高孔隙率的氣凝膠複合材料，以達到節能為目的。
7.氣凝膠未來應用的瓶頸
隨著全球節能環保政策的推動，氣凝膠獨特的優點無疑是少數可完全符合的材料之一，隨著近幾年氣凝膠產品銷售量以每年19.3％複合成長率增長，即可看出他的潛力。氣凝膠目前無法廣泛推廣主要問題有二，一是氣凝膠的製備上，使用的超臨界萃取乾燥程序，需要耗費很高的成本，因此如何有效降低生產設備是一個重要關鍵。另一個問題就是氣凝膠的物性不佳易脆，使得它在應用上非常困難，因此如何提升具高機械強度的氣凝膠，是未來刻不容緩須解決之難題。
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建築與工業管線保溫隔熱材料用於減少熱損失提高節能效率，其中隔熱複材在建築上可有效降低建築空調負荷和空調能耗，是構建節能建築和實施節能改造的重要關鍵。而因此本文介紹新型多孔性二氧化矽(氣凝膠)隔熱材料於建築隔熱與節能的應用發展與發展前景。
1.奈米多孔洞二氧化矽──氣凝膠
氣凝膠(Aerogel)是一種具有奈米級多孔性(porous)的材料，一般以二氧化矽(Silica, SiO2)為主要結構，構成3-D 立體網狀的型式，氣凝膠的多孔結構中，空氣佔有80%以上的體積，因此密度極低，被稱為「被凍結的煙」(frozen smoke)。因為氣凝膠中，二氧化矽的粒子極小，所以一般氣凝膠呈現透明或是半透明。由於空氣的折射率(refractive index)為1，並且具有極佳的絕熱性質，使的富含空氣的氣凝膠擁有低折射率、低熱傳導係數(thermal conductivity) 與無毒性等優點，如下圖所示。這些優點被現今的科學家應用，使得氣凝膠慢慢地成為一個多功能的材料。
2.氣凝膠的特性
(1)高比表面積：氣凝膠的奈米級的多孔結構，使得其比表面積高達 1,000 m2/g 以上。因此常應用在觸媒上，除了觸媒的應用外，我們也可以利用高比表面積的特性，製備電極(electrode)，具有高比表面積的碳氣凝膠具有聚集大量電荷的能力，所以被用在製備電容或是電池上是由可摺疊的碳氣凝膠所製備而成的電極。
(2)低熱傳導係數：氣凝膠的孔隙率高達 80％ 以上，因此它的熱傳導係數可以低到 0.0015 W/m-K，大約是一般常見的隔熱材料硬質泡棉的 1/17。以一個較為簡單的比較來說，一塊氣凝膠的隔熱效果，相當於 10 ~ 20 塊玻璃，因此是一種優異的隔熱材料。也因為空氣占絕大部分的體積比率，所以氣凝膠的密度極低。
(3)低介電常數：介電常數越低，表示絕緣越好，氣凝膠具有極低的介電常數，可以低達1.1 左右，被廣泛的應用在IC(Integrated-Circuit)電路板上，為了避免之間交互作用，使的電路效率降低，因此必須在電路與電路之間加入絕緣層，二氧化矽氣凝膠在這，可以作為一個高效率的絕緣材，為了因應電子產品越做越小的趨勢，高效的絕緣材也越來越受到重視。
(4)低光折射率：空氣的折射率為1，氣凝膠內富含大量的空氣，所以在折射率上，可以達1.007~1.24 左右，被應用在發光材料上。
3.氣凝膠全球市場
氣凝膠產品的全球市場如下圖所示，從2010年的8510萬美元擴大到2011年的1億1050萬美元，2012年達到1億3750萬美元。2008年～2009年全球不景氣的影響減少之後，氣凝膠產品的銷售額開始復甦，從2010年開始到2012年以27.1% 的年複合成長率成長。成為阻礙隔熱、隔音材料大規模商業化最大因素是高單價。另一方面短期全球經濟的停頓，影響氣凝膠相關的幾個領域。但整體氣凝膠產品的銷售額，因高效能的隔熱材料的需求高漲，及環保建築市場擴大，環保節能相關法規的強化，醫療，個人保養品，能源，其他新用途的氣凝膠的有效利用等，今後5年將持續穩健成長。因此，氣凝膠產品的全體市場預計從2012年開始到2017年之間將以19.3％的年複合成長率增長。
4.氣凝膠的製備
氣凝膠一般使用溶膠－凝膠法製成的，反應步驟如下圖所示。製備二氧化矽氣凝膠的前驅物一般使用烷氧化矽類 (alkoxysilane)，將它與有機溶劑混和後添加酸觸媒，進行水解反應(hydrolysis)。水解一段時間後，再添加鹼觸媒進行縮和反應(condensation)，反應後會形成溶膠(sol)。溶膠是指極小的膠體粒子，在溶液中，受到凡得瓦爾力(van der waal force)與電雙層(electric double layer)的作用，產生布朗運動(Brownian motion)而均勻分散的溶液。溶膠內的分子繼續進行縮合反應鍵結，逐漸形成半固態的高分子凝膠，再經過一段時間的熟化(age)，膠體會形成結構穩定的3-D 立體網狀結構。最後使用溶劑清洗，去除未反應的前驅物與觸媒後，進行乾燥步驟。
5.氣凝膠的應用
氣凝膠因為其優越性質，所以在應用上非常的廣泛，其中包含了物理、化學、半導體、偵測器等領域。
(1)隔熱與防火材應用：氣凝膠為孔隙率高達 80％ 以上的無機物，所以隔熱效果與阻燃性質極佳。因此在建築工業上，氣凝膠隔熱複材可更有效地解決建築節能之難題，以輕薄的特性為特殊部位的絕熱提供解決方案。下圖為氣凝膠在建築材料中的應用示意圖。
(2) IC電路板：氣凝膠具有極低的介電常數，可以低達1.1 左右，被廣泛的應用在IC(Integrated-Circuit)電路板上，IC電路板是由一層一層的電路層推疊而成，為了避免之間交互作用，使的電路效率降低，因此必須在電路與電路之間加入絕緣層，二氧化矽氣凝膠在這，可以作為一個高效率的絕緣材，為了因應電子產品越做越小的趨勢，高效的絕緣材也越來越受到重視。
(3) 電極：氣凝膠具有高比表面積的特性，製備電極(electrode)，具有高比表面積的碳氣凝膠具有聚集大量電荷的能力，所以被用在製備電容或是電池上。
(4) 發光二極體：一般的有機發光二極體(OLED)，發光層塗佈在玻璃基板上，折射率的分佈為，發光層＞玻璃基板＞空氣，所以會有部份的光線在玻璃基板上被反射而浪費掉，因此科學家將氣凝膠塗佈在玻璃基板與發光層的中間，光線由折射率較低的氣凝膠層進入玻璃基板，可以減少光線的損失。
6.塑膠中心目前能量
早期的文獻中，二氧化矽氣凝膠大多使用超臨界乾燥程序進行乾燥，這將需要極高的成本，也使的製程上具有危險性。因此在近幾年，多數的研究團隊，開始傾向使用常壓乾燥的方式製備二氧化矽氣凝膠，不過因為在常壓下乾燥，乾燥的條件與方法非常的嚴苛，製備而得的產品在物理性質上，一直無法與超臨界乾燥所製備的氣凝膠相提並論，因此仍處於研究的階段。此外原料的價格也是影響成本的因素之一，塑膠中心將利用矽酸鈉（俗稱水玻璃）來替代過去所使用的四乙基氧矽烷(tetraethyl orthosilicate, TEOS)。一來可以大幅的降低成本，二來使用上更為安全。塑膠中心已開發一個較為理想的方法，改善以往常壓乾燥製備的方式，將氣凝膠導入玻纖複材中，再搭配連續製程如下圖所示，獲得具有低密度、高孔隙率的氣凝膠複合材料，以達到節能為目的。
7.氣凝膠未來應用的瓶頸
隨著全球節能環保政策的推動，氣凝膠獨特的優點無疑是少數可完全符合的材料之一，隨著近幾年氣凝膠產品銷售量以每年19.3％複合成長率增長，即可看出他的潛力。氣凝膠目前無法廣泛推廣主要問題有二，一是氣凝膠的製備上，使用的超臨界萃取乾燥程序，需要耗費很高的成本，因此如何有效降低生產設備是一個重要關鍵。另一個問題就是氣凝膠的物性不佳易脆，使得它在應用上非常困難，因此如何提升具高機械強度的氣凝膠，是未來刻不容緩須解決之難題。