四川大学王玉忠院士/赵海波团队：高强度、阻燃、隔热的全生物质气凝胶

研究背景

随着社会发展，能源消耗越来越严重。建筑能耗约占世界总能耗的40%，普遍采用在建筑物内安装隔热材料的方式节能。聚氨酯(PU)和膨胀聚苯乙烯 (EPS)等石油基泡沫因具有成本低、重量轻、导热系数低的特点，是最常见的商业化隔热材料，但其高可燃性限制了应用。石油基泡沫的不可再生加剧了能源危机，由废弃塑料泡沫引起的环境污染也已成为广泛关注的社会问题。因此，迫切需要研发绿色、安全的新隔热材料。

气凝胶具有低密度、高孔隙率和低导热系数的特点，在工业隔热领域有着广阔的应用前景。与无机气凝胶相比，有机聚合物气凝胶具有优良的力学性能和加工性能。其中，由于自然界大量存在的生物质具备经济效益高、生态友好及生物可降解等特性，因此生物聚合物基气凝胶可有效地解决石油基泡沫的不可再生和环境污染问题，研究人员正致力于研发各种生物质/生物聚合物（纤维素、果胶、壳聚糖等）基气凝胶。生物聚合物分子链中存在许多官能团（如-OH， -COOH， -NH₂等)，研究人员已经设计开发了具有高机械强度和低导热系数的高性能生物基气凝胶。然而，和石油基聚合物泡沫类似，目前大多数的生物聚合物气凝胶仍具有较高火灾隐患。

近年来，通过将生物聚合物基质与阻燃剂（如蒙脱石钠、碳酸氢钠、聚磷酸铵等）共混，开发了阻燃型生物基气凝胶。但气凝胶阻燃性的提高往往伴随着导热性和机械强度等综合性能的恶化，且阻燃剂的引入也对材料的生物降解性和环境友好性造成严重负面影响。

为解决上述问题，四川大学王玉忠院士/赵海波团队以天然丰富的海藻酸铵（AL）和植酸（PA）为原料，通过物理交联和定向冷冻技术成功制备了全生物质基聚合物气凝胶。该低密度（0.052g/cm³）气凝胶具有超高机械模量（25.1±3.1MPa）和超低导热系数（34-38 mW/mK）。相关研究成果已发表在Composites Part B 期刊，题目为“Fully biomass-based aerogels with ultrahigh mechanical modulus, enhanced flame retardancy,and great thermal insulation applications”。

工作介绍

四川大学王玉忠院士/赵海波团队以可再生的海藻酸铵和植酸为原料，经过氢键作用和冻干步骤成功地制备了全生物质基气凝胶。植酸既充当阻燃剂，又能作为交联剂与海藻酸铵基质形成交联网络，所得低密度（0.052g/cm³）的气凝胶表现出远高于其它生物质气凝胶的超高机械模量（25.1±3.1MPa）和比模量（440.4±54.4 Mpa cm³g^-1）。由于具有均匀的三维多孔网络结构，该气凝胶表现出超低导热系数（34-38 mW/mK）以及卓越的隔热性能。而且，植酸的引入赋予了气凝胶高阻燃性（极限氧指数为57%、UL94达到V-0等级以及极低的散热效率），并将材料的生物降解性保持在高水平（降解速率为91.43%），有利于环境安全。基于超高机械模量、阻燃性、隔热性和生物降解性等特性，该全生物质基气凝胶在建筑保温材料方面具有广阔前景。由于原材料成本低、加工性能好，该工作为制备高机械强度、阻燃且环保安全的隔热材料提供了绿色、可放大的新方法。

图文详情

图1. (a)制备AL5PAX气凝胶的示意图；(b)PA与AL间交联氢键的形成.

备注：AL-海藻酸铵，PA-植酸，角标-100g水中该物质的含量

图2. (a-c)AL5、PA和P5PA1的样品瓶倒转试验；(d)将轻质AL5PA1气凝胶置于羽毛上；(e) PA溶液、AL5气凝胶和AL5PA1气凝胶的FTIR谱图；(f) 不同温度下，AL5PA1气凝胶的FTIR谱图.

图3. (a-f)AL5气凝胶和AL5PAX气凝胶的SEM图片. AL5气凝胶(g-i)和AL5PA1气凝胶(j-l)的元素mapping图.

图4. AL5PA1气凝胶机械性质的直观图.

图5. (a)AL5气凝胶和AL5PAX气凝胶的压缩应力-应变曲线；(b) AL5气凝胶、AL5PAX气凝胶以及其他相似材料的压缩模量随密度变化的关系图比较.

图6. AL5气凝胶和AL5PAX气凝胶的TGA曲线(a)和DTG曲线(b).

图7. 在150℃下加热30min之后, AL5PA1气凝胶(a)、EPS泡沫(b)和PU泡沫的红外图像. (d)在150℃下加热30min之后，AL5PA1气凝胶、EPS泡沫和PU泡沫的表面温度.

图8. 200℃、250℃和300℃下，AL5PA1气凝胶、EPS泡沫和PU泡沫的隔热性能.

图9. 垂直燃烧试验中AL5气凝胶(a)和AL5PA1气凝胶(b)的燃烧过程.

图10. 在50 kW/m²的热流量下，AL5PAX气凝胶的散热速率(HRR,a)和总散热量(THR,b).

图11. 在50 kW/m²的热流量下AL5PAX气凝胶的发烟速率(SPR,a)和总发烟量(TSP,b).

图12. 锥形量热测试后AL5气凝胶(a)和AL5PA1气凝胶(b)的残渣. (c-d) AL5PA1气凝胶残渣的SEM. (e-h) AL5气凝胶残渣和AL5PA1气凝胶残渣的拉曼谱图和XPS结果.

图13. AL5气凝胶(a)和AL5PA1气凝胶(b)在不同温度下分解产物的FTIR谱图.

图14. AL5PA1气凝胶和色谱级纤维素的生物降解度曲线.

原文链接

Cao M, Liu B-W, Zhang L, PengZ-C, Zhang Y-Y, Wang H, Zhao H-B, Wang Y-Z, Fully biomass-basedaerogels with ultrahigh mechanical modulus, enhanced flame retardancy,and greatthermal insulation applications, CompositesPart B (2021),

doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109309.

研究团队介绍

通讯作者:王玉忠