江西理工张思钊：常压干燥法构筑高性能生物质气凝胶 - 集轻质高强、高效隔热、阻燃防火、耐热稳定性强等多功能于一体

2022-11-25 来源：高分子科技

国际政府间气候变化专委会明确指出，提升能源效率将在实现2030年气候变化目标方面发挥关键作用。因此，减少能源的不合理利用，提高能源利用效率，是我国实现能源、环境、社会和经济可持续发展的必由之路。醋酸纤维素作为天然高分子纤维素的衍生物，具有原料来源丰富易得、环境友好可降解等优良特点。将醋酸纤维素制成气凝胶保温隔热材料，既能保留纤维素本征特点，又能赋予材料轻质高强、高比表面积和低热导率等新特性，与国家节能减排、节能降碳理念高度契合。因此，发展环境友好的高性能生物质气凝胶保温隔热材料对于推动我国经济社会绿色低碳发展，实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。

图1 气凝胶制备步骤及异形结构加工性能展示

江西理工大学聚合物气凝胶课题组张思钊提出通过网络骨架均相杂化策略构建醋酸纤维素气凝胶的新途径，解决了常压干燥法制备高性能生物质气凝胶的共性瓶颈问题，实现了轻质高强、高效隔热、阻燃防火、耐热性强等性能的协同优化设想，大幅降低了材料的制备成本与功能化赋予成本。

图2 气凝胶微观形貌及其孔径分布

醋酸纤维素气凝胶的微纳孔隙结构尺寸主要集中在30 nm左右，使气凝胶材料具有良好的保温隔热性能（常温常压热导率：0.033 W m^?1 K^?1），单面加热实验也表明材料的隔热性能优异；同时，通过引入芳香环结构聚合物相，可使材料具备良好的自熄特性（离火即自熄），可见，通过网络骨架均相杂化策略，确实可赋予生物质气凝胶良好的阻燃防火性能；所得气凝胶的力学强度得到明显提升，在低温和常温下的压缩应力（3%应变）分别达到0.6MPa和0.73MPa，因此，材料的异形成型加工性能也表现优异；此外，材料的热稳定性能得到进一步优化提升，热分解温度增幅近30℃，有力地拓展了生物质气凝胶材料的应用温度极限。

图3 气凝胶自熄性能测试

本研究将为包括纤维素气凝胶、壳聚糖气凝胶在内的高性能生物质气凝胶保温隔热材料实现多功能集成、低成本制备以及实际场景应用提供理论依据和技术支撑。

图4 气凝胶热稳定性能

该研究成果以“Ambient Pressure Drying to Construct Cellulose Acetate/Benzoxazine Hybrid Aerogels with Flame Retardancy, Excellent Thermal Stability and Superior Mechanical Strength Resistance to Cryogenic Temperature”为题被美国化学会期刊Biomacromolecules发表。论文主要作者是江西理工大学国际创新研究院2020级硕士研究生王昭，通讯作者是张思钊。上述工作得到江西省重点研发计划、江西省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.2c00904

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（责任编辑：xu）

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