蘇州納米所王錦等Mater. Sci. Eng. R：升維策略結(jié)合共凝膠制備仿生高性能氣凝膠
全球建筑熱調(diào)節(jié)的能源消耗占比超過40%，這一數(shù)據(jù)突顯了發(fā)展低碳建筑結(jié)構(gòu)的必要性。低導(dǎo)熱系數(shù)的氣凝膠保溫材料在節(jié)能建筑中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，但其廣泛應(yīng)用受到機(jī)械穩(wěn)健性、熱穩(wěn)定性和耐火性不足的挑戰(zhàn)。
基于此，受植物根-土壤結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦研究員與東南大學(xué)孫正明/張培根團(tuán)隊(duì)合作提出了一種制備高性能復(fù)合氣凝膠的新方法，采用尺寸升級策略設(shè)計(jì)并合成了機(jī)械強(qiáng)度高的聚對苯并惡唑（PBO）納米纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠（BNFSi）（圖1）。優(yōu)化后的BNFSi表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度（3.2 MPa），同時(shí)具有低導(dǎo)熱系數(shù)（27.3 mW·m-1·K-1），良好的阻燃性能，高質(zhì)量保持率（79.7%），高反射率（約92%）以及超疏性（150.3°）。通過仿生設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，BNFSi不僅解決了二氧化硅網(wǎng)絡(luò)固有的脆性問題，還具備卓越的防火和保溫隔熱性能，為推動節(jié)能建筑提供了有前景的解決方案，并與下一代生態(tài)建筑的目標(biāo)相契合。
圖1. 合成仿生氣凝膠BNFSi的共凝膠方法及其在建筑中的多功能應(yīng)用示意圖
研究結(jié)果表明，PBO纖維形成了微米級和納米級的纖維結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出多尺度結(jié)構(gòu)，有助于形成類似于植物發(fā)達(dá)根系的多分支網(wǎng)絡(luò)（有利于0D硅球，1D納米纖維結(jié)構(gòu)單元結(jié)合升級成2D纖維網(wǎng)絡(luò)包覆結(jié)構(gòu)，從而形成3D整體）。PBO納米纖維（BNF）因其豐富的比表面積（SSA）和可調(diào)節(jié)的表面特性，在微納米級設(shè)計(jì)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，從而推動了塊體復(fù)合材料的發(fā)展和先進(jìn)納米材料的形成。通過將硅溶膠作為“土壤”基質(zhì)，水解縮合反應(yīng)能夠精確控制PBO分散體對質(zhì)子的吸收，最終形成的縮合產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與植物根土結(jié)構(gòu)高度相似（圖2）。
圖2. 仿生氣凝膠的結(jié)構(gòu)形貌和基礎(chǔ)表征
所制備的BNFSi氣凝膠具有優(yōu)異的成型性（圖3），能夠塑造成多種形狀，并可通過減材制造進(jìn)行加工，以適應(yīng)特定場景的形狀需求。升維策略顯著提升了BNFSi的壓縮強(qiáng)度，使其達(dá)到3.2 MPa，是原始二氧化硅氣凝膠的6倍以上，同時(shí)具備增韌效果。即使人站立其上，氣凝膠也不會發(fā)生坍塌或結(jié)構(gòu)破壞，力學(xué)模擬進(jìn)一步證明了PBO在增強(qiáng)氣凝膠力學(xué)性能方面起到了積極作用。
圖3. BNFSi的力學(xué)性能
PBO的疏水芳香骨架與MTMS的水解末端產(chǎn)生的甲基使BNFSi具有優(yōu)異的疏水性，作為建筑維護(hù)材料，可減少清潔能耗。得益于多層微納米結(jié)構(gòu)和PBO/二氧化硅之間的協(xié)同作用，BNFSi的近紅外反射率高達(dá)92%，可有效減少外界的熱增益（圖4）。此外，BNFSi的反射率與角度幾乎無關(guān)，平均反射率超過90%。這一性能有助于減少建筑內(nèi)部的熱量積累，從而降低空調(diào)系統(tǒng)的能源負(fù)擔(dān)，提高建筑的能源效率。
圖4. 仿生氣凝膠的舒適性和光學(xué)性能
保溫材料的耐火性對建筑安全至關(guān)重要，即便在高溫下，BNFSi仍能保持其結(jié)構(gòu)完整性，得益于其高質(zhì)量保持率(79.7%)和碳化能力，能夠提供優(yōu)異的防火隔熱效果，自生成的碳層/SiO?屏障有效限制了熱量傳遞和氧氣滲透，使其在實(shí)際火災(zāi)條件下具有較高的實(shí)用性（圖5）。通過錐形量熱儀測試了BNFSi氣凝膠和其他商用材料的放熱率(HRR)和放煙率(SPR)。在相同熱流密度(50 kW·m-2)下，BNFSi表現(xiàn)出優(yōu)于其他商用材料的阻燃性能，峰值HRR僅為商用XPS材料的27.1%，此外，BNFSi的煙霧排放量極低，遠(yuǎn)小于商用XPS，最大程度減少了火災(zāi)對人身安全的潛在威脅，增強(qiáng)了其替代傳統(tǒng)商用隔熱材料的潛力。
圖5. 仿生氣凝膠的阻燃性能和節(jié)能減排能力
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用EnergyPlus模擬了在建筑中使用BNFSi的潛在節(jié)能效果，模擬結(jié)果表明，即使在寒冷潮濕的氣候條件下，BNFSi也展現(xiàn)出顯著的節(jié)能效果。以耗能量來評價(jià)在不同氣候條件下的節(jié)能效果，結(jié)果顯示從溫暖地區(qū)到嚴(yán)寒地區(qū)，BNFSi的節(jié)能效果逐漸顯著。特別是在合肥和南京，年節(jié)能率分別達(dá)到了18.81%和22.66%，表明BNFSi在各氣候帶均有明顯的節(jié)能效果。此外，研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)算了這些節(jié)能效果對應(yīng)的二氧化碳減排量，其中哈爾濱市的二氧化碳減排量為6.7 kg m-2，顯著高于南京市的1.6 kg m-2。這些結(jié)果證明了BNFSi在建筑保溫節(jié)能減排方面具有重大潛力。
該研究提出的概念和方法為高性能氣凝膠在多種環(huán)境中的應(yīng)用提供了一種理想的絕緣材料解決方案。解決了傳統(tǒng)氣凝膠固有的脆性和納米顆粒結(jié)合強(qiáng)度弱的問題，展現(xiàn)出了加快提升未來建筑能源效率的巨大潛力。此外，該工作可能對高性能聚合物氣凝膠在建筑節(jié)能減排、極端環(huán)境保溫隔熱等方向的應(yīng)用提供了新思路。相關(guān)工作以Dimensional Upgrading of 0D Silica Nanospheres to 3D Networking Toward Robust Aerogels for Fire Resistance and Low-Carbon Applications為題發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級期刊Materials Science and Engineering R: Reports上。論文第一作者為東南大學(xué)與蘇州納米所聯(lián)合培養(yǎng)博士生胡沛英，通訊作者為東南大學(xué)張培根副教授、蘇州納米所王錦研究員和東南大學(xué)孫正明教授。該論文獲得了國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金和國家留學(xué)基金委項(xiàng)目資助。
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