一種三維網狀結構隔熱、防火的生物基氣凝膠
背景介紹
在“雙碳”戰略背景下，開發可持續保溫、儲能、吸聲材料的解決方案成為重點。因此，利用纖維素、木質素、海藻酸鹽、殼聚糖等生物基原料制備可持續有機保溫材料，有望取代具有類似性能的石化基保溫材料。在這些生物材料中，纖維素作為地球上儲量最大的生物基原料，是最有前途的替代材料，在絕緣、吸附、儲能、電子、電氣等領域得到了廣泛的應用。
然而，隨著高端制造業的不斷發展，纖維素基材料在結構構造和多功能化方面仍面臨諸多挑戰。通常材料的結構決定其性能，天然管狀結構影響其在自然界的保溫性能，如鳥類的羽毛、北極熊的毛發等。而傳統的纖維素基管狀氣凝膠制備方法，如模板法、引入無機管狀材料等，較為復雜，對材料綜合性能影響較大。因此，尋找一種天然的、可回收的、可持續的管狀生物基原料作為纖維素基氣凝膠的基地材料是一條新的途徑。
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近期，東北林業大學阻燃材料分子設計與制備重點實驗室徐苗軍教授和劉魯斌教授在開發生物基隔熱氣凝膠取得新進展。該團隊提出以天然中空隔熱動物毛發為靈感，采用中空木棉纖維(KF)、粘結劑聚乙烯醇(PVA)和阻燃交聯劑膦酸雙胍酯(BGP)構建了管狀氣凝膠的三維網絡結構。通過冷凍成型和冷凍干燥，成功制備了集保溫、高強、防火為一體的多功能管狀氣凝膠。由于分子間氫鍵和粘結劑的高粘度，KF保持了高填充、全組分和高價值利用率。與純KF相比，KF- PVA - BGP氣凝膠的導熱系數降低到0.0531 W/mK，抗壓強度提高到1.64 MPa。同時，阻燃交聯劑BGP的摻入促進了KF-PVA氣凝膠的降解和炭化，并在分解過程中釋放出大量惰性氣體，有效地發揮了凝聚相和氣相的阻燃作用。此外，與商用PS保溫板相比，KF-PVA-BGP復合材料除了具有優異的保溫和防火性能外，還具有可回收、可持續和可生物降解的特點。該KF-PVA-BGP氣凝膠在保溫、儲能和新能源領域替代傳統石化基材料具有良好的應用前景。研究成果以“High-strength, thermal-insulating, fire-safe bio-based organic lightweight aerogel based on 3D network construction of natural tubular fibers ”為題發表于《Composites Part B 》。
圖1.KF氣凝膠復合材料的制備工藝及多功能性研究。
圖2.(a)未經處理的KF; (b) KF氣凝膠;(c) KF- PVA5和(d) KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的SEM圖像;(e) KF、KF- PVA5和KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的FTIR光譜;(f) BGP和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的核磁共振譜;(g) KF和KF-PVA - BGP氣凝膠孔隙度;(h) BGP和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的高分辨的N1sXPS光譜;(i) KF和KF-PVA5 - BGP10氣凝膠的高分辨的C1sXPS光譜。
圖3.(a) KF-PVA和(b)KF-PVA-BGP氣凝膠的應力-應變曲線(c) KF-PVA5-BGP10試樣在1.5 kg載荷下無變形圖像;(d)不同KF氣凝膠的抗壓強度及KF-PVA-BGP氣凝膠的各種復雜形狀;(e) KF-PVA-BGP氣凝膠力學增強機理示意圖。
圖4.(a) KF和(b)KF-PVA-BGP氣凝膠樣品導熱圖(c) KF和(d)高度為1.6 cm的KF-PVA5-BGP10氣凝膠在200℃下加熱10min后的側視圖為彩色熱像;KF-PVA5-BGP10在(e) 50?C， (f) 100?C， (g) 150?C和(h) 200?C的熱板上加熱1,5和10分鐘后，高度為1.6 cm的頂部偽彩色熱圖像;(i)熱階段表面與KF-PVA5-BGP10的溫差(ΔT)曲線。
圖5.(a) KF、(b) KF-PVA5、(c) KF-PVA5-BGP10氣凝膠點火后燃燒過程視頻截圖;(d) CC試驗后KF、 KF-PVA5、KF- PVA5 - BGP6和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的HRR、THR、SPR和TSP曲線;(h) N2條件下KF、KF-PVA5和KF-PVA5-BGP10氣凝膠的TG和DTG曲線;(j - 1) KF-PVA5-BGP10氣凝膠CC測試后殘余炭的SEM圖像;(m) KF-PVA5-BGP10氣凝膠炭殘基的SEM圖像和(n-r) EDS圖譜。
圖6.(a) CC測試后KF、KF-PVA5和KF-PVA5-BGP10氣凝膠炭殘基的FTIR光譜;KF-PVA5-BGP10氣凝膠殘余的XPS (b)測量，(c) C1s， (d) O1s和(e) P2p光譜。
圖7.(a) KF、(b) KF-PVA5和(c) KF-PVA5-BGP10氣凝膠熱解產物的三維TG-FTIR光譜;(d) KF、(e) KF-PVA5和(f) KF-PVA5-BGP10氣凝膠熱解產物隨時間變化的FTIR光譜;(g) 340℃時KF、KF-PVA5和KF-PVA5-BGP10氣凝膠熱解產物的FTIR光譜;(h) KF-PVA-BGP氣凝膠阻燃機理示意圖。
圖7.分別用(a) KF-PVA-BGP、(b) PS板和(c)木板建造的模擬小房間;(d)北方寒冷地區熱液加熱環境模擬;(e) KF-PVA-BGP保溫板、PS板、木板、空調條件下溫度隨時間變化曲線;(f)商用PS板與(g) KF-PVA-BGP保溫板搭建的樣板房點火后燃燒視頻截圖對比(h) KF-PVA-BGP板用于節能建筑屋面、外墻板和地板保溫材料的說明;(i)通過雷達圖比較KF-PVA-BGP氣凝膠與商用PS板的綜合性能。
END
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