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  氣凝膠材料由于自身具有低密度、高比表面積等特點(diǎn)，使其在諸多領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。近年來，將氣凝膠材料與基底材料結(jié)合構(gòu)筑保溫涂料是建筑保溫隔熱領(lǐng)域的熱門研究話題。然而以SiO₂氣凝膠為代表的無機(jī)氣凝膠普遍存在高脆性的問題，會降低復(fù)合材料整體的力學(xué)性能。除此之外，為了防止空氣中的水汽對凝膠骨架的侵害，氣凝膠往往會經(jīng)過疏水處理，導(dǎo)致其難以與富水性材料結(jié)合。因此，制備具有良好機(jī)械性能且在不破壞微觀結(jié)構(gòu)的前提下能夠與其它材料有效結(jié)合的復(fù)合氣凝膠具有重要意義。

圖1. 仿石榴結(jié)構(gòu)復(fù)合氣凝膠微球制備流程圖

  近日，針對氣凝膠與富水材料結(jié)合在實(shí)際應(yīng)用中的障礙，內(nèi)蒙古科技大學(xué)賽華征副教授課題組，借助仿生學(xué)的理念，采用了二次凝膠化的手段構(gòu)筑“仿石榴結(jié)構(gòu)”的氣凝膠微球（CABs）（圖1）。具體來說是將疏水性的SiO₂氣凝膠粉體分散于聚乙烯醇溶液中以后和瓊脂糖熱溶液混合，再將該混合漿料滴入硅油中，在界面張力的作用下該漿料成球，伴隨著瓊脂糖的冷卻凝膠化使得球形固化，其本質(zhì)上是一種分散有大量疏水SiO₂氣凝膠的聚乙烯醇-瓊脂糖復(fù)合凝膠微球。此時，SiO₂氣凝膠的孔洞內(nèi)依然是空氣，聚乙烯醇和瓊脂糖分子鏈段相互交聯(lián)形成水凝膠層（圖1c）。將其烘干以后獲得一種“仿石榴結(jié)構(gòu)”的復(fù)合氣凝膠微球，其疏水性的SiO₂氣凝膠微粒相當(dāng)于石榴籽，由聚乙烯醇和瓊脂糖復(fù)合而成的親水性高分子膜構(gòu)成石榴外皮（圖2c-d）和內(nèi)部分割石榴籽的內(nèi)皮（圖2f中藍(lán)色圈里）。為了進(jìn)一步優(yōu)化CABs的性能，作者探究了聚乙烯醇及瓊脂糖溶液濃度對氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響。基于對SEM、BET、TGA等表征分析，選定合理高分子溶液濃度，使微球保留氣凝膠高比表面積、低熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能。

圖2. CABs的外部及內(nèi)部SEM圖像。f中的紅圈中為SiO₂氣凝膠微粒，藍(lán)圈中為聚乙烯醇和瓊脂糖復(fù)合而成的親水性高分子膜。

  接觸角表征分析表明，CABs具有獨(dú)特的浸潤性，呈現(xiàn)出外部親水而內(nèi)部疏水的特性（圖3），從而使其在與水性材料復(fù)合使用時不僅能夠呈現(xiàn)良好的兼容性，而且依然能夠有效抵御水汽對凝膠骨架的破壞。通過拉拔強(qiáng)度測試，CABs與水性材料復(fù)合所得到的復(fù)合涂層（WTICC）相較于普通氣凝膠粉末與水性材料復(fù)合所得到的復(fù)合涂層（WTICN）粘結(jié)強(qiáng)度提高了近八倍（圖4），從根本上解決了疏水性氣凝膠材料與水性基體相容性差的問題。

圖4.（a）拉拔測試裝置照片，（b）粘結(jié)應(yīng)力隨著應(yīng)變程度的分布曲線，（c）拉拔測試后斷裂的WTICC，（d）被膩?zhàn)影?/span>CABs的SEM圖像

  作者進(jìn)一步對CABs及WTICC的壓縮性能進(jìn)行考查，發(fā)現(xiàn)特殊的結(jié)構(gòu)賦予了SiO₂基復(fù)合氣凝膠微球以良好的強(qiáng)度來更好地抵御外力的沖擊。CABs自身的高強(qiáng)度以及前述其與水性基體良好的相容性，使得CABs與水性材料復(fù)合所得到的復(fù)合材料（WTICC）具有優(yōu)異的抗壓性能（圖5）。此外，WTICC相較于普通涂層具有更優(yōu)的保溫隔熱性（圖6）。隨著能源形勢的日益嚴(yán)峻及建筑能耗的不斷增長，建筑節(jié)能日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。這項工作所制備出的獨(dú)特仿石榴狀結(jié)構(gòu)材料可以解決氣凝膠與水性涂料復(fù)合使用時存在的難題并保留氣凝膠良好保溫隔熱性，為氣凝膠材料在建筑保溫節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。

圖5. WTICN與WTICC的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線 

  該工作以“Robust composite aerogel beads with pomegranate-like structure for water-based thermal insulation coating”為題發(fā)表在Elsevier集團(tuán)旗下刊物《Construction and Building Materials》上。內(nèi)蒙古科技大學(xué)碩士研究生谷婕為第一作者，賽華征副教授、付蕊博士為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然基金、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目及內(nèi)蒙古自治區(qū)高層次人才引進(jìn)項目等支持。