木材作為用途廣泛的材料和豐富的資源，具有低密度、低導(dǎo)熱、良好的機(jī)械性能和可持續(xù)性等特性，已被使用了數(shù)千年。近年來(lái)，基于對(duì)木結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，各種具有獨(dú)特物理性能和廣泛應(yīng)用的仿木材料也被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其中，具有優(yōu)良保溫性能的氣凝膠是重要的研究課題之一?；谒芰虾蜆?shù)脂的仿木氣凝膠受到生物降解性差的限制，導(dǎo)致廢物的積累并帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。而基于現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)基元的仿木氣凝膠則受到其可持續(xù)性不足和成本高的限制。因此，為解決目前材料的不可持續(xù)性問(wèn)題，開(kāi)發(fā)低成本、低能耗、環(huán)保的新型構(gòu)筑基元將對(duì)仿木氣凝膠的發(fā)展起到重要作用。
近日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書(shū)宏團(tuán)隊(duì)報(bào)道了采用自下而上的策略，以天然生物質(zhì)和天然礦物為原料，制備出具有優(yōu)良隔熱和耐火性能的純天然仿木氣凝膠。相關(guān)研究成果以 Anall-natural wood-inspired aerogel 為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。
研究人員運(yùn)用巧妙的表面化學(xué)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下活化微米尺度的木屑顆粒表面，從而暴露出纖維素納米纖維（圖1a）。這些顆粒表面的納米纖維顯著增強(qiáng)了顆粒之間的相互作用，結(jié)合單向冷凍技術(shù)構(gòu)建了強(qiáng)韌耐用的仿木氣凝膠。這種氣凝膠有著與天然木材類(lèi)似的取向通道結(jié)構(gòu)（圖1b-g），同時(shí)，這種仿木結(jié)構(gòu)可以降低氣凝膠的熱導(dǎo)率，使其具有17.4 mW m-1K-1的超低徑向熱導(dǎo)率，優(yōu)于現(xiàn)有纖維素基氣凝膠材料和各類(lèi)商用海綿（圖2a-c）。此外，加入天然粘土納米片使得這種氣凝膠的耐火性能有了較大改善，可承受1300℃高溫的火焰至少20分鐘而不被燒透（圖2d-h）。
這種全天然仿木氣凝膠的隔熱和防火性能均優(yōu)于天然巴沙木和大多數(shù)商業(yè)海綿，有望成為現(xiàn)有商業(yè)隔熱材料的理想替代品。此外，全天然仿木氣凝膠的天然的原料來(lái)源和低能耗低排放的制備工藝，使其具有良好的生物降解性和可持續(xù)性，可以減少隔熱材料在生產(chǎn)、使用和廢棄的過(guò)程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。
研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)高校協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃、安徽省科技重大專(zhuān)項(xiàng)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金和安徽省重點(diǎn)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。
圖1.全天然氣凝膠的制備與結(jié)構(gòu)。（a）木屑顆粒表面納米化和仿木結(jié)構(gòu)構(gòu)造過(guò)程示意圖；（b-d）天然木材及其取向通道結(jié)構(gòu)；（e-g）全天然海綿及其取向通道結(jié)構(gòu)。
圖2.全天然氣凝膠的隔熱和防火性能。（a）全天然氣凝膠的隔熱性能與所報(bào)道的纖維素基和木基氣凝膠的對(duì)比；（b）Ashby圖展示了全天然氣凝膠的隔熱性能與各類(lèi)商用海綿的對(duì)比；（c）從熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)三種傳熱形式解釋全天然氣凝膠優(yōu)異隔熱性能的機(jī)理；（d-g）經(jīng)過(guò)火焰灼燒的仿木氣凝膠不同部位微觀結(jié)構(gòu)；（h）高溫碳化后氣凝膠徑向與軸向熱導(dǎo)率變化。
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