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江西理工張思釗：常壓干燥法構(gòu)筑高性能生物質(zhì)氣凝膠 - 集輕質(zhì)高強(qiáng)、高效隔熱、阻燃防火、耐熱穩(wěn)定性強(qiáng)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(huì)明確指出，提升能源效率將在實(shí)現(xiàn)2030年氣候變化目標(biāo)方面發(fā)揮關(guān)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(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)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(huán)境友好可降解等優(yōu)良特點(diǎn)。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(diǎn)，又能賦予材料輕質(zhì)高強(qiáng)、高比表面積和低熱導(dǎo)率等新特性，與國家節(jié)能減排、節(jié)能降碳理念高度契合。因此，發(fā)展環(huán)境友好的高性能生物質(zhì)氣凝膠保溫隔熱材料對于推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色低碳發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)具有重要意義。


 圖1 氣凝膠制備步驟及異形結(jié)構(gòu)加工性能展示


  江西理工大學(xué)聚合物氣凝膠課題組張思釗提出通過網(wǎng)絡(luò)骨架均相雜化策略構(gòu)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(zhì)氣凝膠的共性瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)高強(qiáng)、高效隔熱、阻燃防火、耐熱性強(qiáng)等性能的協(xié)同優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)率：0.033 W m?1 K?1），單面加熱實(shí)驗(yàn)也表明材料的隔熱性能優(yōu)異；同時(shí)，通過引入芳香環(huán)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)骨架均相雜化策略，確實(shí)可賦予生物質(zhì)氣凝膠良好的阻燃防火性能；所得氣凝膠的力學(xué)強(qiáng)度得到明顯提升，在低溫和常溫下的壓縮應(yīng)力（3%應(yīng)變）分別達(dá)到0.6MPa和0.73MPa，因此，材料的異形成型加工性能也表現(xiàn)優(yōu)異；此外，材料的熱穩(wěn)定性能得到進(jìn)一步優(yōu)化提升，熱分解溫度增幅近30℃，有力地拓展了生物質(zhì)氣凝膠材料的應(yīng)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(nèi)的高性能生物質(zhì)氣凝膠保溫隔熱材料實(shí)現(xiàn)多功能集成、低成本制備以及實(shí)際場景應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 


圖4 氣凝膠熱穩(wěn)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(xué)會(huì)期刊Biomacromolecules發(fā)表。論文主要作者是江西理工大學(xué)國際創(chuàng)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江西省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。


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

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