近日，中國科學技術大學教授俞書宏課題組以殼聚糖作為三維軟模板，發(fā)展了一種酚醛樹脂（PFR）與SiO2共聚和納米尺度相分離的合成新策略，成功研制出具有雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的PFR/SiO2復合氣凝膠材料。
工業(yè)建筑和維持室內(nèi)舒適溫度所消耗的能量占世界每年總能耗的30%以上，隔熱材料的使用可以提高建筑物能量利用率、降低能耗。傳統(tǒng)的有機隔熱材料普遍易燃，有機阻燃劑的使用會對環(huán)境和人類健康造成危害，無機隔熱材料的熱導率普遍偏高。而一般的有機無機復合隔熱材料雖然阻燃性有所提高，但仍難耐受長時間的火焰侵蝕，這是因為單分散狀態(tài)的無機組分會隨著聚合物基體的燃燒而逐漸脫落，從而失去保護作用。
俞書宏課題組研制出的雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復合氣凝膠具有樹枝狀的微觀結(jié)構(gòu)，纖維的尺寸在20nm以內(nèi)，且兩種組分各自都成連續(xù)的網(wǎng)絡，實現(xiàn)了有機、無機組分在納米尺度上的均勻分散，同時兩組分間具有很強的界面相互作用。研究人員通過調(diào)控硅源的添加量即可調(diào)控復合氣凝膠的密度、無機含量、力學強度等物理參數(shù)。這種復合氣凝膠可以承受60%的壓縮而不破裂，具有一定的機械強度和可加工性。該氣凝膠具有很好的隔熱效果，最低熱導率可達24mW/mK，優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)泡聚苯乙烯等材料，在相對低溫和低濕度的環(huán)境下，其熱導率維持在28mW/mK。
這種獨特的雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)賦予了氣凝膠優(yōu)異的防火阻燃性能。研究人員用丙烷丁烷噴燈火焰（1300℃）和酒精燈火焰（500-600℃）來檢測氣凝膠的耐火性，并用紅外熱成像儀記錄樣品背面的溫度變化。經(jīng)過30分鐘的測試，噴燈火焰下樣品背面溫度穩(wěn)定在300℃左右，酒精燈火焰下溫度穩(wěn)定在150℃左右，且隨著有機組分的燃燒，SiO2網(wǎng)絡暴露出來并附著在氣凝膠表面而不會脫落，繼續(xù)發(fā)揮隔絕熱量的作用。這種材料可以一定程度上避免在發(fā)生火災時建筑物承力結(jié)構(gòu)的失效，為人員撤離爭取了時間。
相關研究成果發(fā)表在《德國應用化學》上，博士后于志龍為論文第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學基金重點基金、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。
雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的PFR/SiO2復合氣凝膠的制備過程及結(jié)構(gòu)示意圖
