研究成果：木材中提取隔熱和耐火性能的純天然仿木氣凝膠

　　木材作為用途廣泛的材料和豐富的資源，具有低密度、低導熱、良好的機械性能和可持續(xù)性等特性，已被使用了數(shù)千年。近年來，基于對木結(jié)構(gòu)的認識，各種具有獨特物理性能和廣泛應用的仿木材料也被開發(fā)出來，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。基于塑料和樹脂的仿木氣凝膠受到生物降解性差的限制，導致廢物的積累并帶來環(huán)境問題。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)性問題，開發(fā)低成本、低能耗、環(huán)保的新型構(gòu)筑基元將對仿木氣凝膠的發(fā)展起到重要作用。

　　近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授俞書宏團隊報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。相關研究成果以Anall-natural wood-inspired aerogel為題，發(fā)表在《德國應用化學》上。

　　研究人員運用巧妙的表面化學調(diào)控方法，實現(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了顆粒之間的相互作用，結(jié)合單向冷凍技術構(gòu)建了強韌耐用的仿木氣凝膠。這種氣凝膠有著與天然木材類似的取向通道結(jié)構(gòu)(圖1b-g)，同時，這種仿木結(jié)構(gòu)可以降低氣凝膠的熱導率，使其具有17.4 mW m-1K-1的超低徑向熱導率，優(yōu)于現(xiàn)有纖維素基氣凝膠材料和各類商用海綿(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)、使用和廢棄的過程中對環(huán)境的負面影響。

　　研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目、中國高校協(xié)同創(chuàng)新計劃、安徽省科技重大專項、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金和安徽省重點研究與開發(fā)計劃項目等的支持。

　　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道的纖維素基和木基氣凝膠的對比;(b)Ashby圖展示了全天然氣凝膠的隔熱性能與各類商用海綿的對比;(c)從熱輻射、熱對流和熱傳導三種傳熱形式解釋全天然氣凝膠優(yōu)異隔熱性能的機理;(d-g)經(jīng)過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率變化。