随着能源消耗不断攀升，化石燃料资源愈发紧缺，其中建筑能耗约占全球30%，而传统建筑保温材料如EPS、XPS存在着导热系数高、石油基原料不可再生、难以自然降解等问题。近年来，壳聚糖气凝胶因其原料可再生、生物可降解等特点，而广受关注。然而，壳聚糖气凝胶存在着易燃、隔热性能不足，机械强度低等问题，而现有策略难以实现多功能协同增强。因此，如何解决壳聚糖气凝胶固有难题，并保留生物可降解性和可循环回收性，是其实际应用的关键之处。

  针对以上难题，江南大学纺织科学与工程学院付少海教授/王冬副研究员团队提出原位矿化双网络策略，以含磷氮桥联有机硅氧烷为前驱单体、TEOS作为交联剂，在基体网络内生长周期性有机磷-氮-硅网络结构，制备出双网络结构复合气凝胶（图1），具有轻质隔热、高阻燃性和压缩回弹性的优异性能，同时保持出色的生物可降解性和循环回收利用性。

图1壳聚糖复合气凝胶的双网络原位矿化策略

  如图2所示，通过SEM、BET等技术手段证明了CS-PPO复合气凝胶多孔结构的存在，可限制孔道中空气的热对流运动，为优异的隔热性能提供结构基础。利用高倍TEM、核磁等多种技术手段证实了含磷氮桥联硅氧烷前驱体通过水解-缩聚反应在壳聚糖基质内原位生成了周期性磷氮硅网络结构。

图2壳聚糖复合气凝胶的结构表征

  图3展现了壳聚糖复合气凝胶的结构稳定性和压缩回弹性。在30%和50%恒定压缩应变下，复合气凝胶经历1000次循环压缩测试后分别保留了最大压缩原始强度的93.0%和90.5%。分子动力学模拟直观地证明了周期性磷-氮-硅网络和壳聚糖基体网络之间的强氢键作用，从而使气凝胶通过应力转移和氢键重组具有高的结构稳定性和循环压缩回弹性。

图3 壳聚糖复合气凝胶的力学性能

  与先前文献报道的气凝胶材料比较，壳聚糖复合气凝胶的密度和导热系数要更低，展示出其轻质隔热特性。热台实验的红外热成像图直观地表征了复合气凝胶在不同温度梯度下的隔热能力，在180 °C的热冲击下，其表面温度低至51.4 °C。此外，鲜花在3 cm厚的复合气凝胶上直接遭受酒精灯的燃烧仍可保持新鲜的外观，手指也可直接接触正遭受酒精灯燃烧的气凝胶表面而不感到灼烧感。复合气凝胶覆盖在液氮上，表面温度保持在11.3 ℃（图4）。

图4 壳聚糖复合气凝胶的隔热性能

  与壳聚糖气凝胶相比，壳聚糖复合气凝胶具有极低的热释放速率峰值、总热释放量、CO₂释放速率峰值和CO释放速率峰值，并且其热释放速率峰值和极限氧指数也远优于EPS、PU等传统隔热材料和文献中报道的各种气凝胶材料，表明阻燃性能优异。1 cm厚的壳聚糖复合气凝胶能够抵抗1300 ℃丁烷火焰的持续冲击而不被烧穿，背面温度不超过180 ℃，表明其具有优异的耐高温火焰冲击性能与高温隔热性能（图5）。

图5 壳聚糖复合气凝胶的阻燃性能

  该研究成果以“Biodegradable Dual-Network Chitosan Composite Aerogel by In Situ Mineralization for Substituting Petroleum-Based Counterparts”为题发表于《Small》期刊。江南大学本科生史鹏泰为第一作者，王冬副研究员为唯一通讯作者。该研究得到了江南大学学生创新创业训练计划（No.202510295017Z）、江苏省阻燃纤维和功能性纺织品关键技术创新平台（2022JMRH-003）和中国江苏省自然科学基金（No.BK20231238）的资助。

  原文链接：http://doi.org/10.1002/smll.202506668