木材的定向孔结构使其具有多种优异的性能，其中较低的导热系数吸引了研究者们开发类木材气凝胶作为优良的隔热材料。然而，日益增长的环保要求对气凝胶的可持续性提出了新的严格要求。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士和管庆方副教授团队报道了一种由纯天然成分组成的纯天然仿木材气凝胶，并开发了一种激活表面惰性木材颗粒来构筑气凝胶的方法。所得的仿木材气凝胶具有与天然木材相似的通道结构，使其具有优于大多数现有商业海绵的隔热性能。此外，还兼具优异的阻燃性和完全可生物降解性。具有上述优异性能的这种可持续的仿木材气凝胶将是现有商业隔热材料的理想替代品。相关工作以“An all-natural wood-inspired aerogel”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。

【仿木材气凝胶的制备】

天然木材沿生长方向具有定向通道结构，这受到了科学家们的广泛关注。将海藻酸钠和纳米粘土添加到表面纳米晶化木材颗粒（SNWPs）中，形成均匀的水悬浮液，接着将其倒入置于液氮浴中的模具中。然后进行冻干，可得到类木结构的纯天然气凝胶。经过表面纳米化后，SNWPs表面出现了更多的羧基，zeta电位从-20.7 mV变为-41.7 mV。在相同的剪切速率下，SNWPs的黏度明显高于未经处理的天然木材颗粒，这也说明了表面纳米化方法的有效性。SEM和TEM下可以观察到SNWPs表面展开的纳米尺度纤维素纤维。由于SNWPs在水中亲水表面形成了一个强氢键网络，SNWPs在水中的分散性比木屑更稳定。

图1 纯天然仿木材气凝胶的制备与应用

图2 表面纳米晶化木材颗粒的表征

【仿木材气凝胶的结构】

仿木材气凝胶的密度也可以通过控制冷冻铸造过程中的浆液浓度来调节。密度为20 mg cm-3的气凝胶孔隙率为97.65%。在SEM下也可以观察到定向通道结构（包括沿孔结构方向和垂直方向），这与天然木材的结构非常相似。在这些通道中，SNWPs通过其表面的纳米纤维相互结合形成壁，由于SNWPs上纳米纤维之间的强氢键，壁的强度在很大程度上得到了增强，从而促进了骨架的形成，使气凝胶获得了优良的力学性能。为了进一步强化结构，钙离子被引入到SNWPs和海藻酸钠的羧基交联中。海藻酸钠通过羧基与Ca2+形成强的配位键，并通过Ca2+与SNWPs上含羧基的纤维素纳米纤维交联。经过此处理后，材料的压缩模量进一步提高到3.34±0.5 MPa，可以适应更广泛的对力学性能要求更高的应用场景。

图3 纯天然仿木材气凝胶的仿木材通道结构表征

【隔热性能】

纯天然仿木材气凝胶的平均导热系数λ与密度正相关，密度越低孔隙率越高，越有利于材料的隔热。由于仿木材气凝胶具有各向异性的通道结构，其径向λ远低于轴向λ。当密度为20 mg cm-3时，其径向λ值极低，为17.4 mW m-1 K-1，仅为天然轻木的一半左右。从三种传热形式（辐射、对流和传导）分析了纯天然仿木材气凝胶具有优异隔热性能的机理。与木质隔热材料相比，仿木材气凝胶在轴向导热和径向导热方面都具有很大的优势。与目前最先进的纤维素纳米纤维基各向异性隔热气凝胶相比，仿木材气凝胶具有相似的径向导热系数，但轴向导热系数明显更低。此外，仿木材气凝胶的隔热性能也优于大多数现有的商业低密度材料。再加上纯天然仿木材气凝胶的生物降解性，该材料有望成为现有商业隔热海绵材料的理想替代品。

图4 纯天然仿木材气凝胶的导热系数

【阻燃性能】

纯天然仿木材气凝胶还表现出显著的阻燃性能。在丁烷火焰的燃烧下，PU海绵在2 s内剧烈燃烧，在10 s内燃尽，在180 s后被PU海绵保护的巧克力小狗已经严重融化变形。相比之下，在纯天然仿木材气凝胶的保护下，巧克力小狗在300s时仍能保持其原有形状，这说明仿木材气凝胶具有良好的隔热和防火性能。通过SEM观察仿木材气凝胶在丁烷火焰燃烧下的不同部位，进一步探究了气凝胶的燃烧行为。研究发现，纳米粘土被火焰烧结，形成多孔的无机陶瓷泡沫，可以有效抵抗火焰的热量，而材料在凝聚态中的阻燃特性使其难以继续燃烧。在中间部分，虽然材料已经碳化，但仍然保持了气凝胶本身相对完整的结构，这部分仍具有出色的隔热性能。同时，由于具有较高的绝热性和热稳定性，离火焰最远的部分仍然保留了纯天然仿木材气凝胶的完整结构。锥量热法测定的纯天然仿木材气凝胶的热释放速率（HRR）和总热释放量（THR）明显优于天然轻木。此外，纯天然仿木材气凝胶产生的烟雾比天然轻木少约91%，这将大大降低真实火灾情况下对人体的伤害，使该材料更有可能取代现有的大部分商业海绵。

图5 纯天然仿木材气凝胶的优异阻燃性能

【小结】

总之，该研究报道了一种表面修饰策略用于激活生物质颗粒的表面，并通过自下而上的构建方法，使用天然原料实现纯天然仿木材气凝胶的生产。生产的纯天然仿木材气凝胶具有优于大多数商业海绵材料和天然轻木的隔热性能和防火性能。此外，这种纯天然仿木材气凝胶是完全可生物降解的，使用后不会对环境造成危害，使其成为大多数商业隔热材料的理想替代品。这种具有优异隔热和耐火性能的环保气凝胶减少了碳排放，这应该是科学界和材料实际应用始终关注的问题。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211099