北林高强教授、李建章教授/澳洲南昆大宋平安教授AM：双模板制备的低成本高弹性富勒穹顶结构纳米纤维素气凝胶用于个人热管理

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-28 10:00

正文

研究背景

极寒环境保持人体热舒适度至关重要。纳米纤维素（CNF）气凝胶材料具有可再生、低密度等优势，但存在成本高、弹性差、隔热性能不佳等问题限制在保温材料领域应用。

近日，北京林业大学高强教授、李建章教授、澳洲南昆士兰大学宋平安教授及其团队利用CNF和聚氨酯，创新气泡-冰双模板策略，协同MTMS化学气相沉积，在CNF气凝胶中构建了以CNF为支撑杆、以聚氨酯作为连接点的仿生富勒穹顶结构。该气凝胶材料展示出令人惊喜的低成本（22$/kg）、超弹性(100次压缩回复率91%)、超疏水（160.9°接触角）、超轻（4.1 mg cm^-3）、超低导热率（24 mW m^-1K^-1，低于空气25mWm^-1K^-1），用其制备的超轻防寒服装表现出比商业保温填料（鹅绒等）更优异的保温性能，在大规模生产保暖服装方面有巨大应用潜力。该成果以“Low-Cost Hyperelastic Fuller-Dome-Structured Nanocellulose Aerogels by Dual Templates for Personal Thermal Management”为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上，论文通讯作者为北京林业大学高强教授、李建章教授、澳大利亚南昆士兰大学宋平安教授，北京林业大学博士生王光、嘉兴大学讲师冯嘉冰为共同第一作者。

研究亮点

1.本研究仿照富勒穹顶结构，创新“气泡-冰晶”双模板法协同化学气相沉积制备出超弹、超轻、超隔热、超疏水的纳米纤维素气凝胶材料。

2.相比传统保温材料，本研究中具有富勒穹顶结构的纳米纤维素气凝胶导热系数低至24mWm^-1K^-1，制备超轻防寒服装表现出比商业保温填料（鹅绒等）更优异的保温性能。

3.该气凝胶制备条件温和，生产成本低，具有规模化制备能力，在大规模生产保暖服装方面有巨大应用潜力。

图文导读

将CNF与WPU的水溶液混合，加入烷基糖苷作为表面活性剂，高速搅拌形成气泡模板，-20℃下预冷冻形成冰晶模板，后冻干制得纳米纤维气凝胶材料，其中CNF作为支撑杆，而PU作为柔性连接点，在气凝胶材料中形成类似富勒穹顶结构，该结构能有效消散外部压缩应力，赋予气凝胶优异的压缩回弹性。与无气泡模板的空白组相比，采用“气泡-冰晶”双模板策略的气凝胶孔隙率显著增加，具有超低密度（4.1 mg cm⁻³）。同时，多尺寸孔隙增加了固-气和固-固界面，显著提高了声子散射效应，使气凝胶的热导率降低至24 mW m⁻¹K⁻¹。索穹顶结构和MTMS化学气相沉积协同作用，共同赋予该气凝胶材料超疏水性能。

通过双模板法制备的CNF@PU气凝胶具有高孔隙率（99.8%），呈现富勒穹顶状微观结构，多尺度孔隙利于提升隔热性能。纳米CNF纤维与PU通过强氢键相互作用形成网络，CNF/PU气凝胶经硅烷处理后，出现了新的Si−CH₃伸缩振动峰以及Si元素均匀分布使气凝胶具有超疏水特性（水接触角达160.9°）。相比之下，无气泡模板制备的对照气凝胶孔隙率较低，结构随机，疏水性差。

该气凝胶能承受2000倍自重压力并恢复原状，经100次40%压缩循环后，显示卓越的回弹性和抗疲劳性，这归因于高孔隙率和富勒穹顶结构有效吸收外部应力。相比之下，无气泡模板的c-CNF@PU气凝胶压缩后残余应变大，恢复能力差。有限元模拟表明，CNF@PU气凝胶的纤维网络在压缩时变形大但不溃塌，释放压力后可有效恢复，残余应变小。而c-CNF@PU骨架细胞在压缩时严重扭曲，释放后残余变形大。因此，双模板策略形成的穹顶状微结构是CNF@PU气凝胶高孔隙率和超弹性的关键。

CNF@PU气凝胶因其高孔隙率和穹顶状微结构，产生大量固-气和固-固界面，显示出出低热导特性。其导热系数λ低至24 mW m⁻¹ K⁻¹，接近静止空气，远低于c-CNF@PU气凝胶及海绵、棉花。与商用PU海绵和棉花相比，其密度更低。在极寒环境下，CNF@PU气凝胶仍能保持优异的隔热性能，λ值在−20和−40°C时仍保持24 mW m⁻¹ K⁻¹。此外，该气凝胶隔热性能优于商用EPS和PU泡沫。

CNF@PU气凝胶可维持手掌覆盖区域温度稳定，表明其具有优秀的实际隔热能力。作为隔热填充物制作的保暖夹克，在-6°C环境下，外表面温度仅9.2°C，远低于法兰绒衣物（17.3°C），且仅需9mm厚度即达鹅绒服40mm厚度保暖效果，说明其具有优异的保温效果。同时，该气凝胶材料还具备应用材料成本低（22$/kg）、可大规模制备的优势，在生产保暖服装方面有巨大应用潜力。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202414896

来源：高分子科学前沿

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