成果展示
木材的定向孔隙結(jié)構(gòu)使其具有多種優(yōu)異的性能，其中較低的導(dǎo)熱系數(shù)吸引了研究人員開發(fā)類似木材氣凝膠作為優(yōu)良的保溫材料。然而，嚴(yán)格的環(huán)保要求對(duì)氣凝膠的可持續(xù)性提出了新的嚴(yán)格要求?；诖耍?strong>中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士和管慶方副教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種自下而上的策略，利用天然生物質(zhì)和礦物中現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)，制備出一種具有優(yōu)良隔熱和耐火性能的純天然木材氣凝膠。通過暴露存在于微尺度生物質(zhì)顆粒中的納米級(jí)纖維素，顯著增強(qiáng)了這些顆粒之間的相互作用，使得有可能將它們構(gòu)建成類似木材氣凝膠。木質(zhì)結(jié)構(gòu)極大降低了氣凝膠的熱導(dǎo)率，使其具有17.4 mW m-1?K-1的超低自由基熱導(dǎo)率。
同時(shí)，由于加入了天然粘土納米片，氣凝膠的耐火性能也有了很大的提高，可以承受1300 ℃高溫的火焰至少20 min而不被燒透。它的隔熱和防火性能優(yōu)于天然巴爾沙木和大多數(shù)商業(yè)海綿，使其成為現(xiàn)有商業(yè)隔熱材料的理想替代品。此外，它的天然木質(zhì)構(gòu)件使這種氣凝膠具有良好的生物降解性和可持續(xù)性，減少了廢棄隔熱材料對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。
背景介紹
木材作為一種用途廣泛的材料且資源豐富，由于其具有低密度、低導(dǎo)熱等優(yōu)異性能，已被廣泛使用了數(shù)千年。盡管天然木材有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，但其存在易燃性、尺寸有限等問題，嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。直徑數(shù)十微米的木質(zhì)線型通道結(jié)構(gòu)，使其具有獨(dú)特的各向異性力學(xué)和熱性能，在隔音、凈水、隔熱等方面具有良好的應(yīng)用前景。近年來，各種具有獨(dú)特物理性能和廣泛應(yīng)用的類木材料被開發(fā)出來，其中具有優(yōu)良保溫性能的氣凝膠是最重要的研究課題之一。
基于塑料和樹脂的木質(zhì)氣凝膠在保溫性能上已優(yōu)于商用海綿材料，但它們受到生物降解性差的嚴(yán)重限制，可能導(dǎo)致廢物的積累和大量的環(huán)境問題。此外，基于納米級(jí)積木的類似木材氣凝膠也受到其可持續(xù)性不足和成本高的限制。因此，面對(duì)不可持續(xù)性的問題，開發(fā)低成本、低能耗、環(huán)保的新型砌塊將對(duì)類似木材氣凝膠的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。通過從實(shí)際木塊中去除木質(zhì)素，還可以獲得具有木材狀排列結(jié)構(gòu)的多孔材料，顯示了一種將天然原材料加工成隔熱材料的自上而下的策略。
圖文速遞
圖3. 純天然木質(zhì)氣凝膠的木質(zhì)通道結(jié)構(gòu)表征
圖4. 純天然木材氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)
小結(jié)
總之，作者報(bào)道了一種表面改性策略，以激活生物質(zhì)顆粒的表面，并通過自下而上的構(gòu)建方法，使用天然原料生產(chǎn)純天然木材氣凝膠。制備的純天然木材氣凝膠不僅具有比大多數(shù)商用海綿材料和天然輕木更好的隔熱性能和阻燃性，而且這種氣凝膠完全可生物降解，使用后不會(huì)對(duì)環(huán)境造成損害，并使其成為大多數(shù)商用隔熱材料的理想替代品。這種具有優(yōu)異隔熱和防火性能的環(huán)保氣凝膠減少了碳排放，這一直是科學(xué)界和材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)注點(diǎn)。
文獻(xiàn)信息
An all-natural wood-inspired aerogel.?Angew. Chem. Int. Ed.,?2022, DOI: 10.1002/anie.202211099.
https://doi.org/10.1002/anie.202211099.
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