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中南大學張翼/湖南大學全華鋒團隊 Adv. Sci.：“磚-砂漿-粘合劑”設計打造高彈性、疏水且阻燃的隔熱材料

2024-12-07 來源：高分子科技

熱能在建筑、交通、服裝、電池和航空航天等各個領域發(fā)揮著至關重要的作用。高效管理熱能不僅可以減少能源浪費，還可以提高設備的穩(wěn)定性和使用壽命。有效使用熱管理材料，可以大幅提升能源利用效率。纖維素氣凝膠因其環(huán)境友好性、生物降解性、可加工性和低成本受到了相當大的關注。然而，在生物質(zhì)氣凝膠中，實現(xiàn)機械彈性、疏水性、阻燃性和隔熱性的完美平衡，仍是一項艱巨的挑戰(zhàn)。這一平衡對于提升材料的整體性能和拓寬其應用范圍至關重要。

基于此，中南大學張翼和湖南大學全華鋒團隊受“磚-砂漿-粘合劑”仿生結構的啟發(fā)，開發(fā)了層狀雙氫氧化物（LDH）/羧基化纖維素納米纖維(CNF-C)/Si–O–Si（LCS）雜化氣凝膠。LCS氣凝膠以剛性的LDH作為“磚”、以柔性的CNF-C作為“砂漿”，以疏水的Si–O–Si作為“粘合劑”。其中，由水解的硅烷偶聯(lián)劑原位礦化形成的Si─O─Si鍵合網(wǎng)絡有效地增強了界面鍵合，它作為支撐CNF-C載體上LDH納米粒子的橋梁，解決了因LDH堆積引起的機械性能不足的問題。除了構建模塊外，有效的結構設計已被證明對構建功能氣凝膠同樣重要。科學家經(jīng)常從自然界結構復雜的材料中尋找開發(fā)高性能材料的靈感。例如，Zhang等人制造了一種受生物骨啟發(fā)的可壓縮氣凝膠，他們的發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在開發(fā)具有優(yōu)異機械性能和抗疲勞性能的材料時建立分層網(wǎng)絡的有效性。利用這些見解，本研究采用定向冷凍干燥法控制冰晶生長，進而調(diào)整氣凝膠的微觀結構，以實現(xiàn)特定的性能目標。由于這種制備策略， LCS雜化氣凝膠表現(xiàn)出許多具有挑戰(zhàn)性的要求，包括出色的機械彈性、魯棒穩(wěn)定性、高疏水性、優(yōu)異的阻燃性和隔熱性能。這種多功能LCS雜化氣凝膠的成功合成證明了它作為一種能夠承受極端溫度和水環(huán)境的熱管理材料的潛力。該工作以““Brick-Mortar-Binder” Design toward Highly Elastic, Hydrophobic, and Flame-Retardant Thermal Insulator”為題發(fā)表在《Advanced Science》上。文章第一作者是中南大學化學化工學院博士生隋姍穎，通訊作者為張翼教授（中南大學）和全華鋒助理研究員（湖南大學）。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1. LCS雜化氣凝膠的制備示意圖

圖2. LCS雜化氣凝膠的微觀結構

圖3. LCS雜化氣凝膠的機械性能

圖4. LCS雜化氣凝膠的疏水性

圖5. LCS雜化氣凝膠的隔熱性能

圖6. LCS雜化氣凝膠的阻燃性能

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202410938

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（責任編輯：xu）

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