纖維素基復合氣凝膠的隔熱研究進展 ?

摘要：當前，全球面臨突出的能源危機和環(huán)境污染，開發(fā)新型高效隔熱材料成為研究熱點。纖維素基復合氣凝膠是一種新興的可再生隔熱材料，獨特的納米多孔結構和低熱導率賦予其卓越的隔熱性能。結合納米纖維素的種類，綜述纖維素基復合氣凝膠的制備方法、類型及其隔熱應用，以提高能源利用效率，降低能耗。

關鍵詞：纖維素；氣凝膠；復合材料；隔熱

中圖分類號：TQ427.26 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-0-03

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Research progress in thermal insulation of cellulose-based composite aerogels

ZENG Jiacheng1， LI Zhonghua1， LUO Jie1， TIAN Junjia1， ZHU Jundong1，2

（1. School of Resources & Environment， Hunan University of Technology and Business;

2. Hunan Provincial Key Laboratory of Carbon Neutrality and Intelligent Energy， Changsha 410205， China）

Abstract： Currently， the world is facing a prominent energy crisis and environmental pollution， making the development of new and efficient insulation materials a research hotspot. Cellulose-based composite aerogel is a new renewable thermal insulation material， its unique nano porous structure and low thermal conductivity endow it with excellent thermal insulation performance. The preparation methods， types and thermal insulation applications of cellulose-based composite aerogels are reviewed based on the types of nano cellulose， in order to improve energy utilization efficiency and reduce energy consumption.

Keywords： cellulose; aerogel; composite materials; thermal insulation

在當前碳達峰和碳中和政策的推動下，化工、能源和建筑等行業(yè)將節(jié)能作為重要的研究方向。作為一種先進隔熱材料，氣凝膠具有低密度、高孔隙率和低導熱率等優(yōu)異特性。為了保護環(huán)境和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國家和地方政府對于氣凝膠的研發(fā)和應用持積極支持態(tài)度。在這一背景下，開發(fā)高性能且環(huán)境友好的氣凝膠隔熱材料，對于推動綠色低碳發(fā)展、實現(xiàn)碳達峰和碳中和目標具有重要作用[1]?？稍偕奶烊痪酆衔镔Y源豐富、價格低廉，以天然聚合物為基礎的纖維素基復合氣凝膠具有可再生性和環(huán)境友好性，滿足當前實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。纖維素基復合氣凝膠的優(yōu)勢在于獨特的化學官能團和精細的微觀結構，其可為高性能隔熱材料的研發(fā)開辟新道路。靈活采用不同的復合方式，如物理混合、化學交聯(lián)等，可以得到功能更加多樣的纖維素基復合氣凝膠。它不僅保留原始纖維素氣凝膠的優(yōu)異隔熱性能，還可能在機械強度、阻燃性等方面實現(xiàn)顯著提升[2]。納米纖維素可用于制備纖維素基復合氣凝膠，產(chǎn)品類型多樣，其在隔熱領域得到廣泛應用。

1 納米纖維素的種類

納米纖維素是一種天然高聚物，分子間和分子內(nèi)的氫鍵存在于β-1，4連接的無水d-葡萄糖單元之間。它主要分為纖維素納米晶、纖維素納米纖維、微纖維化纖維素和細菌纖維素[3]。采用特定的制備方法，可從天然纖維素中提取不同類型的纖維素，這些纖維素展現(xiàn)出獨特物理和化學特性，應用潛力巨大。

2 纖維素基復合氣凝膠的制備方法

制備纖維素基復合氣凝膠的主要途徑是將不同種類的納米纖維素加入適當?shù)娜軇┲?，使其分散、溶解，最終經(jīng)溶膠-凝膠工藝和特定的干燥技術得到。在凝膠化過程中，納米纖維素的溶膠狀態(tài)經(jīng)歷物理或化學交聯(lián)，從而構建出三維纖維網(wǎng)絡。物理交聯(lián)通常涉及氫鍵和靜電相互作用，而化學交聯(lián)則通過共價鍵或聚合反應實現(xiàn)，能夠顯著提高材料的機械強度。在凝膠的干燥階段，干燥方法的選擇對氣凝膠材料的結構和性能有決定性影響。常見的干燥方法有3種，即冷凍干燥、常壓干燥和超臨界干燥。

2.1 冷凍干燥

冷凍干燥是去除生物質凝膠中的溶劑并控制氣凝膠內(nèi)部的網(wǎng)絡結構以防止結構塌陷的常用方法。纖維素基復合氣凝膠的制備主要采用不同的冷凍方式，以調(diào)節(jié)纖維素氣凝膠的微觀結構，其孔厚度和間距取決于冰晶的形成和生長。CHEN等[1]采用不同的冷凍方式制備超輕纖維素基復合氣凝膠，均勻冷凍的氣凝膠表現(xiàn)出不規(guī)則的多孔結構，其截面為條形孔；定向冷凍的氣凝膠顯示出規(guī)則的枝狀多孔結構，其截面為點狀孔。因此，不同的冷凍方式對氣凝膠微觀形貌有重要影響，而定向冷凍方式可將材料制造成各向異性的多孔結構。

2.2 常壓干燥

常壓干燥工藝條件溫和，操作簡單，是規(guī)?；a(chǎn)氣凝膠的主流工藝。但是，在干燥過程中，纖維素基復合氣凝膠往往會因毛細管力作用而發(fā)生嚴重的收縮和開裂。為降低氣液兩相界面的毛細管壓力，干燥前需要采用低表面張力溶劑置換凝膠孔洞內(nèi)的溶劑，或通過離子交聯(lián)、螯合作用等在孔壁形成足夠堅固的網(wǎng)狀結構，以抵抗毛細管引起的塌陷。MATTOS等[2]利用凍融交聯(lián)-常壓干燥技術來合成堅固的纖維素基復合氣凝膠。這種技術是在解凍介質中引入金屬硝酸鹽，使納米纖維素凍凝膠原位形成具有黏性且堅固的金屬有機配位網(wǎng)絡涂層，并在干燥過程中不會有強烈的收縮。因此，可以最小的收縮風干程度得到卓越強度和絕緣性能的輕質多孔氣凝膠。

2.3 超臨界干燥

超臨界流體干燥主要是通過升高溫度和壓力，使液-氣過渡發(fā)生在物質的臨界點之外，從而消除表面張力和毛細管力，能夠確保固體網(wǎng)絡的高度多孔性而無明顯收縮或開裂。其中，超臨界二氧化碳是形成超臨界干燥氣凝膠的常用物質，在溫度31 ℃、壓強7.4 MPa條件下具有相對溫和的超臨界點。與其他液體（如甲醇或乙醇）相比，CO2具有無毒、不易燃、惰性且低成本的優(yōu)勢。汪超等[3]采用超臨界二氧化碳/乙醇作為共溶劑體系，證明醋酸纖維素具有良好的熱性能。但是，超臨界流體干燥對專業(yè)設備要求較高，高壓運行中的設備存在較大的安全隱患。

3 纖維素基復合氣凝膠類型

纖維素基復合氣凝膠結合納米纖維素的物理特性，可通過原位復合、凝膠整體成型和顆?；蚶w維增強成型3種方式獲得。其中，納米纖維素的線性分子易通過相互作用形成優(yōu)異物理結構的聚集體，具有較大的表面改性潛力，能與其他材料結構或化合物發(fā)生偶聯(lián)反應或官能化，這使得有機基質成為理想的復合氣凝膠候選材料。結合材料的物理特性，可優(yōu)化制備工藝，以得到經(jīng)濟高效和性能優(yōu)異的隔熱復合氣凝膠。

3.1 納米纖維素作為增強相制備復合氣凝膠

納米纖維素具有高強度、高比表面積和高反應活性，作為聚合物基氣凝膠的增強相，優(yōu)勢顯著。首先，納米纖維素能夠有效地分散在基體中，形成堅固的物理交聯(lián)點，增強復合材料的整體強度。其次，其高比表面積的接觸活性位點能與其他基體形成更多化學鍵或發(fā)生更多物理作用，強化復合材料的界面強度，改善其力學性能。此外，納米纖維素表面富含羥基等活性基團，為其提供與其他化學物質反應的能力。表面改性或接枝等技術可以強化納米纖維素與聚合物基體的相容性和相互作用，優(yōu)化復合氣凝膠的性能。納米纖維素作為增強相，參與制備的復合氣凝膠的多項性能得到增強，這使得纖維素基復合氣凝膠在建筑保溫和工業(yè)運輸?shù)阮I域得到了廣泛的應用。

3.2 納米纖維素作為基質制備復合氣凝膠

作為主要基質材料時，納米纖維素用于承載其他納米材料，進而得到復合氣凝膠。它具有自下而上的自組裝特性，可以為復合氣凝膠提供高比表面積、高孔隙率和高機械強度的載體平臺。這些納米材料可以通過直接涂覆在納米纖維表面、直接添加到納米纖維素分散液中或者在納米纖維素基材上生成客體納米材料等方法與納米纖維素結合。SAI等[4]將干燥的細菌纖維素基質浸入預先制備的硅酸乙酯溶液中，使得SiO2膠體納米顆粒通過溶膠-凝膠過程在細菌纖維素基質擴散，形成互穿網(wǎng)絡結構，然后進行冷凍干燥，得到細菌纖維素——二氧化硅復合氣凝膠。憑借強大的細菌纖維素網(wǎng)絡結構，氣凝膠能夠承受冷凍干燥，避免碎裂。柔性細菌纖維素基質使得復合氣凝膠具有較好的彈性性能。同時，二氧化硅網(wǎng)絡的硬度賦予復合氣凝膠高壓縮模量，改善傳統(tǒng)無機氣凝膠固有的易碎性。

4 纖維素基復合氣凝膠的隔熱應用

纖維素基復合氣凝膠在隔熱領域的應用正逐步引起廣泛關注。納米纖維結構的特性使氣凝膠具有獨特的小孔徑和高孔隙率，從而用作輕質高效的隔熱材料。與傳統(tǒng)隔熱材料相比，納米纖維素基復合氣凝膠在相同隔熱效果下具有更小的密度和體積，有效降低材料的固相熱導率。納米孔徑和高孔隙率能夠有效地減少熱傳導和熱輻射，顯著減少外部熱流向內(nèi)部傳遞的速率，使得纖維素基復合氣凝膠具有較低的綜合熱導率和優(yōu)異的隔熱性能。另外，纖維素具有綠色環(huán)保性，制備過程無有害物質和有毒氣體產(chǎn)生，其可再生性和可降解性符合可持續(xù)發(fā)展要求。

基于有機/無機復合技術，ZHANG等[5]采用雙向冷凍技術制備出結構成形性好、機械強度高、保溫性能優(yōu)良的雙向各向異性聚酰亞胺/細菌纖維素氣凝膠。其中，細菌纖維素在氣凝膠中的均勻分散可以抑制其收縮并保持結構完整性，導致孔隙率更高，密度更低，從而減少氣凝膠整體的熱傳導。Yuan等[6]采用原位溶膠-凝膠法將氫氧化鋁納米顆粒摻入纖維素凝膠中，制備纖維素基復合氣凝膠，制得的復合氣凝膠具有良好的透明度和優(yōu)異的力學性能。此外，氫氧化鋁的摻入可顯著降低纖維素氣凝膠的可燃性，在建筑材料中具有很大的應用潛力。

納米纖維素基聚合物復合材料以輕質高效、隔熱性能優(yōu)異、環(huán)保性能良好和適應狹小空間隔熱需求的特性，在隔熱領域展現(xiàn)巨大的應用潛力和市場價值。隨著技術的進步和應用領域的拓展，纖維素基復合氣凝膠可為新型隔熱復合材料的開發(fā)提供研究方向。

5 結論

纖維素基復合氣凝膠作為一種先進的可持續(xù)隔熱材料，逐漸受到廣泛關注。獨特的納米結構賦予氣凝膠出色的物理和化學功能性，使其在隔熱領域具有較大的應用價值。為了實現(xiàn)對氣凝膠結構和性能的精確調(diào)控，可利用多種復合方式優(yōu)化材料的物理性能，其中納米纖維素作為基質或增強相，對復合氣凝膠的機械強度、熱穩(wěn)定性和隔熱性能均有顯著的提升作用。得益于納米纖維素的納米尺度效應、豐富的官能團和獨特的相互作用，新型隔熱復合材料的開發(fā)方向逐漸明確，這為建筑保溫和節(jié)能環(huán)保等領域的應用帶來新選擇。

參考文獻

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