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江西理工張思釗：常壓干燥法構筑高性能生物質氣凝膠 - 集輕質高強、高效隔熱、阻燃防火、耐熱穩定性強等多功能于一體

2022-11-25 來源：高分子科技

國際政府間氣候變化專委會明確指出，提升能源效率將在實現2030年氣候變化目標方面發揮關鍵作用。因此，減少能源的不合理利用，提高能源利用效率，是我國實現能源、環境、社會和經濟可持續發展的必由之路。醋酸纖維素作為天然高分子纖維素的衍生物，具有原料來源豐富易得、環境友好可降解等優良特點。將醋酸纖維素制成氣凝膠保溫隔熱材料，既能保留纖維素本征特點，又能賦予材料輕質高強、高比表面積和低熱導率等新特性，與國家節能減排、節能降碳理念高度契合。因此，發展環境友好的高性能生物質氣凝膠保溫隔熱材料對于推動我國經濟社會綠色低碳發展，實現碳達峰碳中和目標具有重要意義。

圖1 氣凝膠制備步驟及異形結構加工性能展示

江西理工大學聚合物氣凝膠課題組張思釗提出通過網絡骨架均相雜化策略構建醋酸纖維素氣凝膠的新途徑，解決了常壓干燥法制備高性能生物質氣凝膠的共性瓶頸問題，實現了輕質高強、高效隔熱、阻燃防火、耐熱性強等性能的協同優化設想，大幅降低了材料的制備成本與功能化賦予成本。

圖2 氣凝膠微觀形貌及其孔徑分布

醋酸纖維素氣凝膠的微納孔隙結構尺寸主要集中在30 nm左右，使氣凝膠材料具有良好的保溫隔熱性能（常溫常壓熱導率：0.033 W m^?1 K^?1），單面加熱實驗也表明材料的隔熱性能優異；同時，通過引入芳香環結構聚合物相，可使材料具備良好的自熄特性（離火即自熄），可見，通過網絡骨架均相雜化策略，確實可賦予生物質氣凝膠良好的阻燃防火性能；所得氣凝膠的力學強度得到明顯提升，在低溫和常溫下的壓縮應力（3%應變）分別達到0.6MPa和0.73MPa，因此，材料的異形成型加工性能也表現優異；此外，材料的熱穩定性能得到進一步優化提升，熱分解溫度增幅近30℃，有力地拓展了生物質氣凝膠材料的應用溫度極限。

圖3 氣凝膠自熄性能測試

本研究將為包括纖維素氣凝膠、殼聚糖氣凝膠在內的高性能生物質氣凝膠保溫隔熱材料實現多功能集成、低成本制備以及實際場景應用提供理論依據和技術支撐。

圖4 氣凝膠熱穩定性能

該研究成果以“Ambient Pressure Drying to Construct Cellulose Acetate/Benzoxazine Hybrid Aerogels with Flame Retardancy, Excellent Thermal Stability and Superior Mechanical Strength Resistance to Cryogenic Temperature”為題被美國化學會期刊Biomacromolecules發表。論文主要作者是江西理工大學國際創新研究院2020級碩士研究生王昭，通訊作者是張思釗。上述工作得到江西省重點研發計劃、江西省自然科學基金、中國博士后科學基金等項目的資助。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.2c00904

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（責任編輯：xu）

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