Ключевые слова: аэрогель, изоляция, свойства, промышленность.
Проблема рационального использования природных и энергетических ресурсов в промышленности с каждым годом приобретает все более высокую актуальность в связи с глобальным ростом стоимости сырья и ужесточением экологических требований. При реализации долгосрочных стратегий развития промышленные компании вынуждены осуществлять строительство производственных объектов в регионах с суровыми климатическими условиями, включая зоны Крайнего Севера, Арктики и территории с резко континентальным климатом. В таких условиях традиционные строительные материалы и инженерные решения зачастую не обеспечивают требуемого уровня теплоизоляции, долговечности и экономической целесообразности.
При попытке оптимизации промышленных конструкций возможности инженера ограничены, так как многие параметры не подлежат изменениям по технологических требованиям (количество труб, диаметр, материал, толщина стенок). В традиционном подходе основное внимание было обращено на размещение всего комплекса оборудования на ограниченной площади, не нарушая стандарты и нормы, исходя из диаметра объектов с учетом изоляции. В настоящее время показатель толщины изоляции, который традиционно считался фиксированным, теперь является важным рычагом для повышения эффективности производства. Снижение веса и занимаемой площади объектов нефтегазового комплекса оказывают накопительный экономический эффект, так как являются одними из определяющих факторов при подборе вида стали, определении возможности проведения ремонтных работ и стоимости транспортировки оборудования. Возникает необходимость поиска и внедрения инновационных материалов с уникальными свойствами. Перспективным направлением является применение аэрогеля – наноструктурированного материала с рекордно низкой теплопроводностью, способного эффективно работать в экстремальных температурных диапазонах. Ожидается, что аэрогель и композиты на его основе найдут широкое применение в качестве теплоизоляционного материала на промышленных объектах в ближайшем будущем. Повышение масштабов производства, технологическая оптимизация процессов, превосходные эксплуатационные характеристики материала на протяжении всего жизненного цикла позволят продемонстрировать экономическую эффективность от применения аэрогелевой продукции при оценке перспектив в рамках долгосрочного прогнозирования.
Результаты и обсуждение
Аэрогель – это твердый материал с ультранизкой плотностью (около 0,1 кг/м3) и нанопористой структурой, где доля твердой фазы не превышает 0,2 % от объема, что обуславливает исключительные теплоизоляционные свойства (меньше 0,02 Вт/м·К) [2, 17].
Несмотря на ничтожную плотность, аэрогель демонстрирует высокую механическую прочность на сжатие. Визуально материал характеризуется полупрозрачностью и низкой оптической плотностью, что послужило основанием для таких названий как «застывший дым» или «твердое облако». Визуальные характеристики могут отличаться в зависимости от основы для изготовления материала.
В настоящее время наиболее популярными областями применения аэрогеля являются космическая промышленность, химия, энергетика, медицина. Кроме того, аэрогели, благодаря уникальным тепловым характеристикам, широко применяются в качестве изоляционного материала от высоких и холодных температур. Довольно высокая стоимость материалов на основе аэрогеля по сравнению с традиционными теплоизоляционными аналогами приводит к ограниченному применению в промышленности в качестве изоляторов. С другой стороны, комплекс улучшенных теплофизических и механических свойств, характерных для современных рулонных материалов на основе аэрогеля, обеспечивает множество существенных преимуществ при теплоизоляции труб, резервуаров, оборудования [17].
Аэрогель впервые был получен в 1931 году в результате эксперимента, в ходе которого планировалось извлечь жидкую составляющую из геля, не разрушив его структуру. Эксперимент привел к созданию уникального материала, представляющего нанопористую сеть, которая почти полностью состоит из воздуха и сохраняет свою форму [2]. На рисунке 1 продемонстрированы сетевая структура аэрогеля и электронная микрофотография аэрогеля на основе диоксида кремния.
РИСУНОК 1. Сетевая структура аэрогеля и электронная микрофотография аэрогеля на основе диоксида кремния
Изготовление аэрогеля происходит в несколько основных этапов: приготовление золя (коллоидный раствор), гелеообразование (превращение золя в гель), выдержка определенного времени (укрепление структуры геля) и замена растворителя на жидкость для сверхкритической сушки. Заключительным этапом является сверхкритическая сушка.
Стандартный гель в общем понимании представляет собой каркас с порами, заполненными жидкостью. Для создания аэрогеля необходимо жидкую фазу в порах заменить газом. Замена происходит в два этапа. На первом этапе после укрепления структуры геля для удаления воды и остатков реакционной смеси образец помещается в ванну с растворителем (этанол). Растворитель периодически заменяют на свежий для полной замены содержимого пор. На втором этапе образец помещается в жидкий CO2 для вытеснения из пор растворителя с целью обеспечения условий для проведения сверхкритической сушки. После завершения процедуры вытеснения параметры давления и температуры повышаются до критических значений, при которых жидкий углекислый газ переходит в сверхкритическое состояние. Затем давление понижается, и сверхкритическая жидкость удаляется из образца в виде газа. В результате образуется аэрогель с большим количество пор и сохраненной структурой [22].
Способ сушки геля имеет ключевое значение для получения аэрогеля. Если проводить сушку при атмосферном давлении и повышенных температурах структура исходного геля будет разрушена и будет получен ксерогель с более высокой плотностью и более низкой пористостью. Также стоит отметь, что есть такое вещество, как криогель, в котором удаление жидкости из геля происходит при воздействии низких температур и с последующей возгонкой льда. Метод сушки определяется на основании конечной цели использования.
Аэрогели изготавливают из различных материалов. Наиболее популярными считаются углерод, диоксид кремния (кремнезем), оксиды металлов и биополимеры.
Углеродные аэрогели – это класс материалов, которые сочетают в себе свойства аэрогеля (сверхнизкая плотность, высокая удельная поверхность) и ключевые свойства углеродных материалов (электропроводность, химическая инертность в большинстве сред). Углеродный аэрогель – это органический аэрогель, подверженный карбонизации или реакции пиролиза.
Органические аэрогели могут быть получены из разных прекурсоров, таких как меламин-формальдегид, фенол-фурфурол-крезолформальдегид, полимерный изоцианат, фенолмеламин, поливинилхлорид.
Для проведения реакции пиролиза и получения углеродного аэрогеля требуются температура выше 600 °С и атмосфера инертного газа (азот, гелий). В результате реакции образуется пористая углеродная сетка, содержащая как графитовые, так и аморфные участки. Углеродные аэрогели имеют перспективы применения в качестве адсорбентов, электродов, тепловых, акустических изоляторов. Ключевым отличием углеродного аэрогеля от аэрогеля на основе диоксида кремния является способность проводить электричество. В таблице 1 приведены экспериментально полученные значения минимальной теплопроводности некоторых органических аэрогелей. Значения зависят от процентного содержания твердой фазы в составе материала и от разновидности вещества, из которого состоит матрица [15].
ТАБЛИЦА 1. Экспериментально полученные значения минимальной теплопроводности некоторых органических аэрогелей
Аэрогели на основе оксидов металлов – еще один перспективный класс «застывшего дыма». Твердая матрица данного материала состоит из наночастиц оксидов металлов, таких как оксид алюминия (Al2O3), оксид ванадия (V2O5), оксид хрома (Cr2O3), оксид титана (TiO2), оксид железа (Fe2O3) или оксид циркония (ZrO2). В зависимости от исходного прекурсора (оксида металла) аэрогель приобретает различный спектр электронных и химических свойств. Размер пор варьируется от 1 до 25 нм, пористость от 77 до 96 %, а плотность находится в диапазоне от 0,06 до 0,54 г/см3. Данный тип аэрогелей используется в основном для синтеза углеродных нанотрубок, в качестве магнитных наноструктур, адсорбентов, катализаторов [15, 3]. Ключевыми сложностями при производстве аэрогеля на основе оксидов металлов являются сложность контроля структуры по сравнению с диоксидом кремния и относительно высокая стоимость прекурсоров.
Одно из современных направлений связано с развитием биополимерных аэрогелей. Трехмерная сетчатая структура данного вида аэрогелей состоит из природных полимеров (целлюлоза, желатин), что наделяет материал такими свойствами, как биосовместимость и биоразлагаемость. Применение биополимерных разновидностей аэрогеля особенно актуально на пути решения экологических проблем. Данные гели получают путем растворения биополимера и последующего гелеобразования. Для формирования твердой структуры образец подвергается сверхкритической сушке.
Существует также класс гибридных аэрогелей, которые могут содержать как органические, так и неорганические фазы. Данные материалы создаются с целью нивелирования недостатков каждого класса аэрогеля по отдельности. Примерами могут служить аэрогели из диоксида кремния, содержащие наночастицы оксидов переходных металлов, такие как TiO2, Al2O3, или углерод аэрогели, содержащие наночастицы различных металлов, таких как Cr, Zr, Mo, Fe, W, Co, Ni, Pd, Pt, Cu и Ag. В результате создания композитных аэрогелей создаются материалы с уникальными электрическими, каталитическими, оптическими и магнитными свойствами [15].
Среди всех видов исходных материалов для создания аэрогелей диоксид кремния является наиболее широко используемым для целей теплоизоляции. Твердый компонент аэрогеля на основе кремнезема представляет из себя систему из мельчайших трехмерных переплетенных кластеров, занимающих около трех процентов от объема и практически не проводящих тепло. Остальной объем занимает неподвижный воздух, что препятствует как конвекции, так и газофазной проводимости. Типовые свойства кремнеземного аэрогеля приведены в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Типовые свойства кремнеземного аэрогеля
Следует отметить, что теплопроводность аэрогеля на основе диоксида кремния имеет тенденцию к уменьшению при понижении давления, а также при сравнении монолитных образцов с гранулированными наблюдется существенное различие в форме кривой, отражающей изменение теплопроводности под давлением. Это объясняется различием в ширине газовых полостей в гранулированном образце с размерами пор в монолитном варианте.
Газовая проводимость является механизмом переноса тепла за счет движения и столкновения молекул газа в порах материала. В контексте теплоизоляции это один из трех основных каналов теплопередачи. Проводимость газа начинает уменьшаться по мере того, как длина свободного пробега газа приближается к характерному размеру полости. Поры, содержащие газ в структуре аэрогеля, соответствуют величине средней длины свободного пробега газа, что приводит к низкой проводимости, так как молекулы газа начинают более интенсивно сталкиваться со стенками пор, чем друг с другом. В гранулированном образце между гранулами образуются относительно большие пустоты, размер которых намного больше, чем средняя длина пробега окружающего газа. Для увеличения свободного пробега газа пропорционально ширине полости и соответственно снижения теплопроводности значение давления должно быть значительно ниже. Динамика изменения теплопроводности относительно давления монолитного и гранулированного образцов аэрогеля представлена на рисунке 2 [7].
РИСУНОК 2. Динамика изменения теплопроводности относительно давления монолитного и гранулированного образцов аэрогеля
Кремнеземные аэрогели имеют поры разных размеров в зависимости от диаметра:
-
до 2 нм (микропоры);
-
от 2 до 50 нм (мезопоры);
-
больше 50 нм (макропоры).
Большинство пор относится к категории мезопор при относительно небольшом количестве микропор. Ключевой характеристикой пористой структуры аэрогеля является ее открытый и взаимосвязанный характер, что позволяет жидкости перемещаться из поры в пору, постепенно пропитывая весь материал. Данная особенность лежит в основе применения кремнеземных аэрогелей в качестве высокоэффективных фильтров и адсорбентов для осушения. Определение параметров пористости аэрогелей связано с существенными трудностями из-за сочетания высокой пористости (99,9 %) и малого размера пор (1 до 100 нм). Классические методы, такие как проникновение ртути или термопорометрия, сопряжены с возникновением капиллярного давления на аэрогелевую сетку, что вызывает объемные деформации, приводящие к некорректным измерениям размера пор и их объема.
Наиболее популярным методом измерения пористости аэрогеля является метод адсорбции азота. Данный метод является стандартным, но позволяет с ограниченной точностью определить форму и тип пор в образце на основе классификации форм изотерм. Интерпретация данных осложняется из-за высокого сходства изотерм, что приводит к некорректным измерениям.
Наиболее точными методами измерения пористости аэрогеля являются микроскопия высокого разрешения и просвечивающая электронная микроскопия. Эти методы позволяют получить данные о микроструктуре аэрогеля. Основные сложности при данных типах измерения связаны с подготовкой образцов, с целью исключения электростатического воздействия.
Аэрогели на основе диоксида кремния могут быть гидрофильными и гидрофобными. Как правило, аэрогели, синтезированные путем немодифицированного гидролиза и конденсации алкилортосиликатов и высушенные высокотемпературной термической обработкой, являются гидрофобными, а аэрогели, высушенные CO2 – гидрофильными. Повысить уровень гидрофобности аэрогеля возможно путем модификации поверхности после высыхания или путем добавления присадок на стадии золь-геля [21].
В зависимости от производственной необходимости аэрогели производят в виде порошка, твердых элементов или в составе композитных материалов. Областями применения аэрогеля являются космическая промышленность, медицина, энергетика. В гражданской инфраструктуре широко применяется для теплоизоляции зданий, особенно в местах с ограниченным пространством и где требуется необходимый уровень прозрачности (окна). В нефтегазовом секторе материалы из аэрогеля получили популярность как эффективные теплоизоляторы. В условиях окружающей среды аэрогели обеспечивают превосходные теплоизоляционные характеристики по сравнению с традиционными аналогами, а также обладают уникальными особенностями, позволяющими избежать последствий воздействия внешних условий (влага, механические повреждения). Аэрогели также используют в качестве составляющих в многослойных системах.
Изоляция из аэрогеля обладает преимуществами, которые позволяют активно внедрять технологию на предприятиях:
Обеспечение защиты от коррозии под изоляцией;
-
Снижение затрат на техническое обслуживание (покрытия являются съемными и многоразовыми, что позволяет проводить проверки и ремонт конструкции без замены материала);
-
Упрощенная логистика (гибкость изоляции упрощает погрузочно-разгрузочные работы и позволяет использовать материал для изоляции практически любого технологического оборудования);
- Снижение необходимой площади для монтажа конструкции и снижение веса изолированного оборудования (наглядный пример увеличения свободного пространства за счет использования аэрогеля приведен на рисунке 3).
РИСУНОК 3. Демонстрация увеличения пространства рабочей зоны за счет использования аэрогеля (слева на рисунке изоляция из аэрогеля, справа из традиционного материала)
Одним из показательных примеров высокой скорости монтажа и логистики относительно конкурентов является использование аэрогелевой изоляции производства Aspen Aerogels при экстренной транспортировке изомеризационной колонны на нефтеперерабатывающем заводе в США. За 3,5 дня работа была полностью завершена. Вместо сотен коробок с жестким материалом использовались компактные, гибкие рулоны аэрогелевой изоляции [2].
Помимо всех вышеперечисленных преимуществ, изоляция из аэрогеля обладает долгосрочными теплоизоляционными характеристиками и высокой устойчивостью к старению в условиях окружающей среды.
В последнее время композит из базальтового волокна, получаемый путем плавления и экструзии природных вулканических пород, привлекает все большее внимание в качестве передового изоляционного материала для трубопроводных систем. Производство базальтового волокна не требует использования опасных добавок при изготовлении, что делает материал нетоксичным и пригодным для вторичной переработки. Материал имеет широкий диапазон рабочих температур от -260 °С до +800 °С, что позволяет использовать его с целью изоляции промышленных трубопроводов.
Проводились исследования с имитацией 20-летнего воздействия высоких температур, влажности и солнечной радиации на открытом воздухе с экспериментальными испытаниями с использованием метеорологических приборов и численного моделирования с помощью COMSOL Multiphysics. Результаты эксперимента показали, что изоляция на основе аэрогеля сохраняет постоянную теплопроводность на протяжении всего периода испытания, что демонстрирует устойчивость к термическому старению. Образцы из базальтового волокна, в сравнении с аэрогелем, продемонстрировали заметное ухудшение качества с увеличением теплопроводности в среднем на 10 % в связи с износом материала и образованием пустот. В таблице 3 представлены результаты изменения теплопроводности образцов из базальтового волокна (BF1 и BF2) и изоляция на основе аэрогеля (AG) [4].
ТАБЛИЦА 3. Изменения теплопроводности образцов из базальтового волокна (BF1 и BF2) и изоляции на основе аэрогеля (AG) после имитации условий воздействия окружающей среды на протяжении 20 лет
В таблице 4 приведен результаты моделирования эффективности теплоизоляции при рабочих температурах от 100 до 400 °С.
ТАБЛИЦА 4. Результаты моделирования эффективности теплоизоляции при рабочих температурах от 100 до 400 °С
Из таблицы 4 видно, что при любых температурах аэрогелевые системы продемонстрировали лучшее снижение температуры поверхности по сравнению с базальтовым волокном. При этом результаты были достигнуты при более тонких слоях барьеров на основе аэрогеля. Проведенное моделирование свидетельствует о существенном превосходстве аэрогелевой теплоизоляции над базальтовой по способности минимизировать теплопотери с течением времени.
Рост мировых производственных мощностей, возможно, станет ключевым стимулятором для расширения применения аэрогелей в высокотехнологичных секторах промышленности, где важна высочайшая эффективность теплоизоляции.
На рисунке 4 представлен прогноз по росту рынка аэрогелей от консалтинговой компании IDTechEx.
РИСУНОК 4. Прогноз по росту рынка аэрогелей от консалтинговой компании IDTechEx
Из прогноза видно, что с каждым годом популярность использования аэрогеля в разных отраслях будет только возрастать и, возможно, в будущем материал перейдет из категории инновационных в традиционные.
Заключение
Аэрогелевые композиты являются эффективным решением для долговечной и высокоэффективной теплоизоляции, особенно в промышленной и энергетической инфраструктуре, где высок фактор климатического воздействия. Изоляция несправедливо считалась менее важной стороной проектирования по сравнению с другими материалами на предприятии. В последнее десятилетие подход меняется, так как операторы предприятий, использующие традиционные методы изоляции, сталкиваются с масштабной коррозией и растущим годовым потреблением энергии, что негативно сказывается на эффективности работы. Современные инновационные материалы из аэрогеля успешно решают данные задачи. Ключевым недостатком остается высокая стоимость производства относительно традиционных изоляционных материалов.
С ростом популярности и расширением масштабов использования расходы на производство аэрогелевой продукции будут постепенно оптимизированы, а широта применения покажет экономическую эффективность изоляции в долгосрочной перспективе.
Литература
1. A. Acharya, D. Joshi, and V. A. Gokhale, «AEROGEL – a promising building material for sustainable buildings», Chemical and Process Engineering Research, vol. 9, pp. 1–6, 2013.
2. About Aerogel дата обращения: 10.02.2026
3. Aegerter, M.A., N. Leventis, and M.M. Koebel, Aerogel Handbook ed. A.i. Sol-Gel and D.M.a. Technologies. 2011, New York: Springer New York. 932 p.
4. Akhmetova I., Fedyukhin A., Dontsova A., Berardi U., Afanaseva O., Gafiatullina K., Kraikov M., Nemova D., Selicati V., Stasi R. Long-Term Thermal Stability of Aerogel and Basalt Fiber Pipeline Insulation Under Simulated Atmospheric Aging // Energies. – 2025. – Vol. 18, Iss. 10. – Art. 4232. P. 1–17.
5. Akimov Y.K., Fields of Application of Aerogels (Review). Instruments and Experimental Techniques, 2003. 46(3): p. 287– 299.
6. Casula M.F., A. Corrias, and G. Paschina, Iron oxide–silica aerogel and xerogel nanocomposite materials. Journal of NonCrystalline Solids, 2001. 293–295: p. 25–31.
7. Cohen E., Glicksman L. Thermal Properties of Silica Aerogel Formula // Journal of Heat Transfer. – 2015. – Vol. 137. – August. – Art. 081601-1. P. 1–8.
8. Dowson M., et al., Predicted and in situ performance of a solar air collector incorporating a translucent granular aerogel cover. Energy and Buildings, 2012. 49: p. 173–187.
9. Fischer F., et al., Cellulose-based aerogels. Polymer, 2006. 47(22): p. 7636–7645.
10. Jing M., Zhang S., Fu, L., Cao G., Wang R. Reducing Heat Losses from Aging District Heating Pipes by Using Cured-in-Place Pipe Liners. Energy 2023, 273, 127260.
11. Kovács, Z.; Csík, A.; Lakatos, Á. Thermal Stability Investigations of Different Aerogel Insulation Materials at Elevated Temperature. Therm. Sci. Eng. Prog. 2023, 42, 101906.
12. Leventis N., et al., Nanoengineering Strong Silica Aerogels. Nano Letters, 2002. 2(9): p. 957–960.
13. Li L., Zhai C., Shang Y., Lou C., Li X., Li D. Life Cycle Cost Approach Involving Steam Transport Model for Insulation Thickness Optimization of Steam Pipes. Energy 2024, 312, 133658.
14. Liu, H.; Yu, Y.; Liu, Y.; Zhang, M.; Li, L.; Ma, L.; Sun, Y.; Wang, W. A Review on Basalt Fiber Composites and Their Applications in Clean Energy Sector and Power Grids. Polymers 2022, 14, 2376.
15. Meliță L., Croitoru C. Aerogel, A high performance material for thermal insulation – A brief overview of the building applications // E3S Web of Conferences. – 2019. – Vol. 111. – Art. 06069. – 9 p. – (CLIMA 2019 Congress).
16. Moreno-Castilla C. and F.J. Maldonado-Hódar, Carbon aerogels for catalysis applications: An overview. Carbon, 2005. 43(3): p. 455–465.
17. Pastushkov P. P., Gutnikov S. I., Pavlenko N. V., Zheldakov D. Yu., Stolyarov M. D. Heat conductivity of aerogel-based rolled materials for high thermal isolation for equipment and pipelines // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 896. – Art. 012103.
18. Riffat S.B. and G. Qiu, A review of state-ofthe-art aerogel applications in buildings. International Journal of Low-Carbon Technologies, 2012. 8(1): p. 1–6.
19. Rigacci A., et al., Preparation of polyurethanebased aerogels and xerogels for thermal superinsulation. Journal of Non-Crystalline Solids, 2004. 350: p. 372–378.
20. How The Aerogels Market Will Evolve Over The Next Decade дата обращения: 09.03.2026
21. Soleimani Dorcheh A., Abbasi M. H. Silica aerogel; synthesis, properties and characterization // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 199. – P. 10–26.
22. Thapliyal P. C., Singh K. Aerogels as Promising Thermal Insulating Materials: An Overview // Journal of Materials. – 2014. – Vol. 2014. – Art. ID 127049. – 10 p.
23. Velasco D.C.R., Gonçalves V.P.D., Oliveira M.P., Simonassi N.T., Lopes F.P.D., Vieira C.M.F. Industrial Piping System: Design and Corrosion Protection. Surfaces 2025, 8, 18.
24. Wei G., Liu Y., Du X., and Zhang X., 2012, «Gaseous Conductivity Study on Silica Aerogel and Its Composite Insulation Materials», ASME J. Heat Transfer, 134 (4), p. 041301.
25. Worsley M.A., et al., Mechanically robust and electrically conductive carbon nanotube foams. Applied Physics Letters, 2009. 94 (7): p. 073115.
26. Zeng S., Hunt A., Cao W., and Grief R., 1994, «Pore Size Distribution and Apparent Gas Thermal Conductivity of Silica Aerogel», ASME J. Heat Transfer, 116(3), pp. 756–759.
