气凝胶是由纳米结构或分子链自组装而成的开放多孔固体材料，它们的孔隙中充满了大量的空气介质，具有低体积密度、高孔隙结构、大比表面积、低导热系数等物理特征，在隔热保温领域具有重要的应用潜力。RF、PU、PI等有机气凝胶比无机气凝胶机械强度高，可成型性更好，但其合成工艺较复杂，加工过程使用到的有毒溶剂和原材料在环境中难降解，易造成环境污染等问题。天然聚合物制备的生物质气凝胶不涉及使用有毒化学品和复杂的化学合成过程，表现出丰富的多孔结构、较好的隔热性能和可扩展的化学功能。可再生的天然聚合物资源丰富，价格低廉，发展以天然聚合物为基础的生物质气凝胶替代石油衍生物制备有机气凝胶是近年来气凝胶材料发展的一个重要方向。

最近，中南大学化学化工学院蒋崇文教授课题组通过水热法合成高长径比的羟基磷灰石纳米棒（HANRs）对海藻酸钠气凝胶的物理结构进行增强，结合硼酸化学交联和冷冻干燥得到HANRs/SAB复合气凝胶（图1）。其中，纳米棒状结构HANRs中钙离子和海藻酸钠的羧基形成第一层静电结合力，而硼酸化学交联海藻酸钠形成第二层化学结合力（图2）。HANRs/SAB的模量和最大压缩强度分别为2.39 MPa和0.75 MPa，而体积密度仅为0.038-0.068 g·cm-3。HANRs/SAB表现出最佳导热系数为35.15 mW·m-1·K-1（图3）。此外，HANRs/SAB表现出突出的阻燃性能，不仅有较低的热释放率（12.88 kW·m-2）和总热释放量（3.19 MJ·m-2）外，还有较低的烟气释放量（11.3 m2·m-2）。基于双交联策略的低成本生物质聚合物复合气凝胶在隔热阻燃领域具有广阔的应用前景。该工作以“Thermal Insulation and Flame Retardancy of the Hydroxyapatite Nanorods/Sodium Alginate Composite Aerogel with a Double-Crosslinked Structure”为题发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

 图1. HANRs/SAB气凝胶的制备工艺形貌和性能特征。

 图2. HANRs/SAB复合气凝胶双交联网络结构结合方式。

图3. SAB气凝胶和HANRs/SAB(0.5)、HANRs/SAB(1)、HANRs/SAB(2)的体积密度和热导率(a)。HANRs/SAB气凝胶与已报道的生物聚合物气凝胶材料的导热系数比较(b). SAB气凝胶与HANRs/SAB(1)的红外热像图 (c). SAB气凝胶与HANRs/SAB复合气凝胶在热板上(T = 100℃)的冷面温度随时间的变化情况(d)。

该工作是团队近期关于天然聚合物复合气凝胶的最新进展之一。复合气凝胶的两相界面相互作用和多孔结构的构造对隔热性能有着重要影响作用。为此团队结合天然高分子海藻酸钠和羟基磷灰石相容性和化学功能性，基于硼酸化学交联合成高性能的隔热阻燃双功能气凝胶复合材料。在过去的两年中，团队制备了不同微观结构的复合气凝胶工程材料并在隔热阻燃领域有着较好的应用价值（Composites Part A 2020, 138, 106040; Applied Clay Science, 2021, 211, 106200），此外，研究发现不同的冷冻方式，有无化学交联等制备工艺对复合气凝胶的多孔结构、力学特征和隔热性能有着重要影响（Composites Part B, 2021, 223, 109081，ACS Sustain. Chem. Eng., 2020, 8(1), 71-83. ACS Appl Mater Interfaces, 14(15), 17763-17773）。而这种性能优异的聚合物复合材料有望在热管理应用中发挥重要作用，如温度存储、管道保温运输和工程热防护。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c12254