中南大学张翼/湖南大学全华锋团队 Adv. Sci.：“砖-砂浆-粘合剂”设计打造高弹性、疏水且阻燃的隔热材料

2024-12-07 来源：高分子科技

热能在建筑、交通、服装、电池和航空航天等各个领域发挥着至关重要的作用。高效管理热能不仅可以减少能源浪费，还可以提高设备的稳定性和使用寿命。有效使用热管理材料，可以大幅提升能源利用效率。纤维素气凝胶因其环境友好性、生物降解性、可加工性和低成本受到了相当大的关注。然而，在生物质气凝胶中，实现机械弹性、疏水性、阻燃性和隔热性的完美平衡，仍是一项艰巨的挑战。这一平衡对于提升材料的整体性能和拓宽其应用范围至关重要。

基于此，中南大学张翼和湖南大学全华锋团队受“砖-砂浆-粘合剂”仿生结构的启发，开发了层状双氢氧化物（LDH）/羧基化纤维素纳米纤维(CNF-C)/Si–O–Si（LCS）杂化气凝胶。LCS气凝胶以刚性的LDH作为“砖”、以柔性的CNF-C作为“砂浆”，以疏水的Si–O–Si作为“粘合剂”。其中，由水解的硅烷偶联剂原位矿化形成的Si─O─Si键合网络有效地增强了界面键合，它作为支撑CNF-C载体上LDH纳米粒子的桥梁，解决了因LDH堆积引起的机械性能不足的问题。除了构建模块外，有效的结构设计已被证明对构建功能气凝胶同样重要。科学家经常从自然界结构复杂的材料中寻找开发高性能材料的灵感。例如，Zhang等人制造了一种受生物骨启发的可压缩气凝胶，他们的发现强调了在开发具有优异机械性能和抗疲劳性能的材料时建立分层网络的有效性。利用这些见解，本研究采用定向冷冻干燥法控制冰晶生长，进而调整气凝胶的微观结构，以实现特定的性能目标。由于这种制备策略， LCS杂化气凝胶表现出许多具有挑战性的要求，包括出色的机械弹性、鲁棒稳定性、高疏水性、优异的阻燃性和隔热性能。这种多功能LCS杂化气凝胶的成功合成证明了它作为一种能够承受极端温度和水环境的热管理材料的潜力。该工作以““Brick-Mortar-Binder” Design toward Highly Elastic, Hydrophobic, and Flame-Retardant Thermal Insulator”为题发表在《Advanced Science》上。文章第一作者是中南大学化学化工学院博士生隋姗颖，通讯作者为张翼教授（中南大学）和全华锋助理研究员（湖南大学）。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图1. LCS杂化气凝胶的制备示意图

图2. LCS杂化气凝胶的微观结构

图3. LCS杂化气凝胶的机械性能

图4. LCS杂化气凝胶的疏水性

图5. LCS杂化气凝胶的隔热性能

图6. LCS杂化气凝胶的阻燃性能

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202410938

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