絕熱材料在國(guó)防軍工、航空航天、日常民用、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。其中二氧化硅氣凝膠因具有極低的熱導(dǎo)率（λ<20 Mw?m-1?K-1，低于空氣），被認(rèn)為是一種“超級(jí)絕熱材料”。但該材料存在強(qiáng)度差、受力易破碎等問(wèn)題，極大限制了材料的實(shí)際應(yīng)用，如何獲得兼具高柔性和高絕熱性能的氣凝膠材料具有重要的戰(zhàn)略意義。
近日，東華大學(xué)纖維改性材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程學(xué)院的成艷華及朱美芳教授研究團(tuán)隊(duì)圍繞國(guó)家新型材料發(fā)展，以輕質(zhì)、柔性、高絕熱性材料為研究目標(biāo)，將軟且韌的有機(jī)納米纖維引入硬且脆的無(wú)機(jī)硅網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)跨尺度（分子-納米-微米）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得宏觀具有高柔韌性和高絕熱性的纖維復(fù)合氣凝膠材料。多尺度“軟-硬”協(xié)同雜化策略如下（圖1）：分子尺度上，采用低交聯(lián)密度的硅源增加硅網(wǎng)絡(luò)的韌性；納米尺度上，利用纖維素納米纖維和硅網(wǎng)絡(luò)界面間的強(qiáng)結(jié)合能力確保材料的機(jī)械完整性；微米尺度上，通過(guò)纖維橋聯(lián)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)材料的高孔性和柔韌性。采用該策略設(shè)計(jì)的纖維復(fù)合氣凝膠在國(guó)防軍工、航空航天、能源管理、民用保暖等領(lǐng)域都具有較為廣闊的應(yīng)用前景。
圖1.硅-纖維素復(fù)合氣凝膠制備的示意圖及其形貌圖
圖2.纖維復(fù)合氣凝膠的拉伸穩(wěn)定性及高柔性
該納米纖維-硅復(fù)合氣凝膠具有極低的熱導(dǎo)率15.3 mW?m-1?K-1，孔隙率高達(dá)93.6%，比表面積高達(dá)660 m2?g-1，可支撐起高于其本身質(zhì)量4個(gè)數(shù)量級(jí)的重物，并可進(jìn)行彎折、卷曲、折疊等，且能夠裁剪成任意形狀（圖2）。基于柔性復(fù)合氣凝膠優(yōu)異的絕熱性能（圖3），作者進(jìn)一步制備了具有電熱-絕熱一體化雙模式的高效熱器件，增加能量的利用效率。基于復(fù)合氣凝膠優(yōu)異的疏水性和高度多孔性，這一復(fù)合氣凝膠還可以應(yīng)用于環(huán)境污染物處理等領(lǐng)域。
圖3.纖維復(fù)合氣凝膠的絕熱性能
這一成果近期發(fā)表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者是東華大學(xué)的博士研究生張君妍。
