一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶

热管理博览会 2023年7月14日浏览：1293

来源 | Composites Part B

背景介绍

现代社会对建筑保温、储能、吸声材料的需求量每年呈指数级增长。有机保温材料因其重量轻、导热系数低、易成型等优点，被广泛应用于保温、储能等领域。而传统的有机保温材料多来自于挤压聚苯板、发泡聚苯板、聚氨酯泡沫等石化基材料，其在生产加工过程中能耗高且不降解，给社会带来巨大的能源和环境压力。

在“双碳”战略背景下，开发可持续保温、储能、吸声材料的解决方案成为重点。因此，利用纤维素、木质素、海藻酸盐、壳聚糖等生物基原料制备可持续有机保温材料，有望取代具有类似性能的石化基保温材料。在这些生物材料中，纤维素作为地球上储量最大的生物基原料，是最有前途的替代材料，在绝缘、吸附、储能、电子、电气等领域得到了广泛的应用。

然而，随着高端制造业的不断发展，纤维素基材料在结构构造和多功能化方面仍面临诸多挑战。通常材料的结构决定其性能，天然管状结构影响其在自然界的保温性能，如鸟类的羽毛、北极熊的毛发等。而传统的纤维素基管状气凝胶制备方法，如模板法、引入无机管状材料等，较为复杂，对材料综合性能影响较大。因此，寻找一种天然的、可回收的、可持续的管状生物基原料作为纤维素基气凝胶的基地材料是一条新的途径。

成果掠影

近期，东北林业大学阻燃材料分子设计与制备重点实验室徐苗军教授和刘鲁斌教授在开发生物基隔热气凝胶取得新进展。该团队提出以天然中空隔热动物毛发为灵感，采用中空木棉纤维(KF)、粘结剂聚乙烯醇(PVA)和阻燃交联剂膦酸双胍酯(BGP)构建了管状气凝胶的三维网络结构。通过冷冻成型和冷冻干燥，成功制备了集保温、高强、防火为一体的多功能管状气凝胶。由于分子间氢键和粘结剂的高粘度，KF保持了高填充、全组分和高价值利用率。与纯KF相比，KF- PVA - BGP气凝胶的导热系数降低到0.0531 W/mK，抗压强度提高到1.64 MPa。同时，阻燃交联剂BGP的掺入促进了KF-PVA气凝胶的降解和炭化，并在分解过程中释放出大量惰性气体，有效地发挥了凝聚相和气相的阻燃作用。此外，与商用PS保温板相比，KF-PVA-BGP复合材料除了具有优异的保温和防火性能外，还具有可回收、可持续和可生物降解的特点。该KF-PVA-BGP气凝胶在保温、储能和新能源领域替代传统石化基材料具有良好的应用前景。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 ”为题发表于《Composites Part B 》。

图文导读

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图3

图1.KF气凝胶复合材料的制备工艺及多功能性研究。

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图4

图2.(a)未经处理的KF; (b) KF气凝胶;(c) KF- PVA5和(d) KF-PVA5 - BGP10气凝胶的SEM图像;(e) KF、KF- PVA5和KF-PVA5 - BGP10气凝胶的FTIR光谱;(f) BGP和KF-PVA5-BGP10气凝胶的核磁共振谱;(g) KF和KF-PVA - BGP气凝胶孔隙度;(h) BGP和KF-PVA5-BGP10气凝胶的高分辨的N1sXPS光谱;(i) KF和KF-PVA5 - BGP10气凝胶的高分辨的C1sXPS光谱。

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图5

图3.(a) KF-PVA和(b)KF-PVA-BGP气凝胶的应力-应变曲线(c) KF-PVA5-BGP10试样在1.5 kg载荷下无变形图像;(d)不同KF气凝胶的抗压强度及KF-PVA-BGP气凝胶的各种复杂形状;(e) KF-PVA-BGP气凝胶力学增强机理示意图。

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图6

图4.(a) KF和(b)KF-PVA-BGP气凝胶样品导热图(c) KF和(d)高度为1.6 cm的KF-PVA5-BGP10气凝胶在200℃下加热10min后的侧视图为彩色热像;KF-PVA5-BGP10在(e) 50◦C， (f) 100◦C， (g) 150◦C和(h) 200◦C的热板上加热1,5和10分钟后，高度为1.6 cm的顶部伪彩色热图像;(i)热阶段表面与KF-PVA5-BGP10的温差(ΔT)曲线。

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图7

图5.(a) KF、(b) KF-PVA5、(c) KF-PVA5-BGP10气凝胶点火后燃烧过程视频截图;(d) CC试验后KF、 KF-PVA5、KF- PVA5 - BGP6和KF-PVA5-BGP10气凝胶的HRR、THR、SPR和TSP曲线;(h) N2条件下KF、KF-PVA5和KF-PVA5-BGP10气凝胶的TG和DTG曲线;(j - 1) KF-PVA5-BGP10气凝胶CC测试后残余炭的SEM图像;(m) KF-PVA5-BGP10气凝胶炭残基的SEM图像和(n-r) EDS图谱。

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图8

图6.(a) CC测试后KF、KF-PVA5和KF-PVA5-BGP10气凝胶炭残基的FTIR光谱;KF-PVA5-BGP10气凝胶残余的XPS (b)测量，(c) C1s， (d) O1s和(e) P2p光谱。

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图9

图7.(a) KF、(b) KF-PVA5和(c) KF-PVA5-BGP10气凝胶热解产物的三维TG-FTIR光谱;(d) KF、(e) KF-PVA5和(f) KF-PVA5-BGP10气凝胶热解产物随时间变化的FTIR光谱;(g) 340℃时KF、KF-PVA5和KF-PVA5-BGP10气凝胶热解产物的FTIR光谱;(h) KF-PVA-BGP气凝胶阻燃机理示意图。

一种三维网状结构隔热、防火的生物基气凝胶的图10

图7.分别用(a) KF-PVA-BGP、(b) PS板和(c)木板建造的模拟小房间;(d)北方寒冷地区热液加热环境模拟;(e) KF-PVA-BGP保温板、PS板、木板、空调条件下温度随时间变化曲线;(f)商用PS板与(g) KF-PVA-BGP保温板搭建的样板房点火后燃烧视频截图对比(h) KF-PVA-BGP板用于节能建筑屋面、外墙板和地板保温材料的说明;(i)通过雷达图比较KF-PVA-BGP气凝胶与商用PS板的综合性能。

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