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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，在生物質氣凝膠中，實現機械彈性、疏水性、阻燃性和隔熱性的完美平衡，仍是一項艱巨的挑戰。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，開發了層狀雙氫氧化物（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，由水解的硅烷偶聯劑原位礦化形成的Si─O─Si鍵合網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。科學家經常從自然界結構復雜的材料中尋找開發高性能材料的靈感。例如，Zhang等人制造了一種受生物骨啟發的可壓縮氣凝膠，他們的發現強調了在開發具有優異機械性能和抗疲勞性能的材料時建立分層網絡的有效性。利用這些見解，本研究采用定向冷凍干燥法控制冰晶生長，進而調整氣凝膠的微觀結構，以實現特定的性能目標。由于這種制備策略， LCS雜化氣凝膠表現出許多具有挑戰性的要求，包括出色的機械彈性、魯棒穩定性、高疏水性、優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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