中国科大研制出新型隔热防火双网络复合气凝胶

最近，中国科学技术大学俞书宏教授课题组以壳聚糖作三维软模板，发展了一种酚醛树脂（PFR）与SiO₂共聚和纳米尺度相分离的合成新策略，成功研制了具有双网络结构的PFR/SiO₂复合气凝胶材料。研究论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，论文的第一作者是博士后于志龙。

双网络结构的PFR/SiO₂复合气凝胶的制备过程及结构示意图

工业建筑和维持室内舒适温度所消耗的能量占到世界每年总能耗的30%以上，隔热材料的使用可以提高建筑物的能量利用率和降低能耗。然而，传统的有机隔热材料普遍易燃，有机阻燃剂的使用则会对环境和人类健康造成危害，无机隔热材料的热导率普遍偏高。而一般的有机无机复合隔热材料虽然阻燃性有所提高，但仍难耐受长时间的火焰侵蚀，因为单分散状态的无机组分会随着聚合物基体的燃烧而逐渐脱落，从而失去保护作用。为此，俞书宏课题组研制了这种双网络结构的复合气凝胶，该复合气凝胶具有树枝状的微观结构，纤维的尺寸在20 nm以内，且两种组分各自都成连续的网络，实现了有机、无机组分在纳米尺度上的均匀分散，并且两组分间具有很强的界面相互作用。研究人员通过调控硅源的添加量即可调控复合气凝胶的密度、无机含量、力学强度等物理参数。这种复合气凝胶可以承受60%的压缩而不破裂，具有一定的机械强度和可加工性。该气凝胶具有很好的隔热效果，最低热导率可达24 mW/mK，优于传统的发泡聚苯乙烯等材料，在相对低温和低湿度的环境下，其热导率维持在28 mW/mK。

这种独特的双网络结构赋予了气凝胶优异的防火阻燃性能。研究人员用丙烷丁烷喷灯火焰（1300 ⁰C）和酒精灯火焰（500~600 ⁰C）来检测气凝胶的耐火性，并用红外热成像仪记录样品背面的温度变化。经过30分钟的测试，喷灯火焰下样品背面温度稳定在300 ⁰C左右，酒精灯火焰下温度稳定在150 ⁰C左右，而且随着有机组分的燃烧，SiO₂网络暴露出来并附着在气凝胶表面而不会脱落，继续发挥隔绝热量的作用。这种材料可以避免在发生火灾时建筑物承力结构的失效，为人员撤离争取了时间。

该工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201711717 

(合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、科研部)