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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，使其在諸多領域有著良好的應用前景。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域的熱門研究話題。然而以SiO₂氣凝膠為代表的無機氣凝膠普遍存在高脆性的問題，會降低復合材料整體的力學性能。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，導致其難以與富水性材料結(jié)合。因此，制備具有良好機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)合的復合氣凝膠具有重要意義。

圖1. 仿石榴結(jié)構(gòu)復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)合在實際應用中的障礙，內(nèi)蒙古科技大學賽華征副教授課題組，借助仿生學的理念，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)”的復合氣凝膠微球，其疏水性的SiO₂氣凝膠微粒相當于石榴籽，由聚乙烯醇和瓊脂糖復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中藍色圈里）。為了進一步優(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，藍圈中為聚乙烯醇和瓊脂糖復合而成的親水性高分子膜。

  接觸角表征分析表明，CABs具有獨特的浸潤性，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。通過拉拔強度測試，CABs與水性材料復合所得到的復合涂層（WTICC）相較于普通氣凝膠粉末與水性材料復合所得到的復合涂層（WTICN）粘結(jié)強度提高了近八倍（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)應力隨著應變程度的分布曲線，（c）拉拔測試后斷裂的WTICC，（d）被膩子包裹的CABs的SEM圖像

  作者進一步對CABs及WTICC的壓縮性能進行考查，發(fā)現(xiàn)特殊的結(jié)構(gòu)賦予了SiO₂基復合氣凝膠微球以良好的強度來更好地抵御外力的沖擊。CABs自身的高強度以及前述其與水性基體良好的相容性，使得CABs與水性材料復合所得到的復合材料（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峻及建筑能耗的不斷增長，建筑節(jié)能日益成為人們關注的焦點。這項工作所制備出的獨特仿石榴狀結(jié)構(gòu)材料可以解決氣凝膠與水性涂料復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)能領域的應用提供了新思路。

圖5. WTICN與WTICC的壓縮應力-應變曲線 

  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集團旗下刊物《Construction and Building Materials》上。內(nèi)蒙古科技大學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)高層次人才引進項目等支持。