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成果展示

木材的定向孔隙結構使其具有多種優(yōu)異的性能，其中較低的導熱系數(shù)吸引了研究人員開發(fā)類似木材氣凝膠作為優(yōu)良的保溫材料。然而，嚴格的環(huán)保要求對氣凝膠的可持續(xù)性提出了新的嚴格要求。基于此，中國科學技術大學俞書宏院士和管慶方副教授（共同通訊作者）等人報道了一種自下而上的策略，利用天然生物質(zhì)和礦物中現(xiàn)有的納米結構，制備出一種具有優(yōu)良隔熱和耐火性能的純天然木材氣凝膠。通過暴露存在于微尺度生物質(zhì)顆粒中的納米級纖維素，顯著增強了這些顆粒之間的相互作用，使得有可能將它們構建成類似木材氣凝膠。木質(zhì)結構極大降低了氣凝膠的熱導率，使其具有17.4 mW m^-1?K^-1的超低自由基熱導率。

同時，由于加入了天然粘土納米片，氣凝膠的耐火性能也有了很大的提高，可以承受1300 ℃高溫的火焰至少20 min而不被燒透。它的隔熱和防火性能優(yōu)于天然巴爾沙木和大多數(shù)商業(yè)海綿，使其成為現(xiàn)有商業(yè)隔熱材料的理想替代品。此外，它的天然木質(zhì)構件使這種氣凝膠具有良好的生物降解性和可持續(xù)性，減少了廢棄隔熱材料對環(huán)境的負面影響。

背景介紹

木材作為一種用途廣泛的材料且資源豐富，由于其具有低密度、低導熱等優(yōu)異性能，已被廣泛使用了數(shù)千年。盡管天然木材有許多明顯的優(yōu)點，但其存在易燃性、尺寸有限等問題，嚴重限制了它的應用。直徑數(shù)十微米的木質(zhì)線型通道結構，使其具有獨特的各向異性力學和熱性能，在隔音、凈水、隔熱等方面具有良好的應用前景。近年來，各種具有獨特物理性能和廣泛應用的類木材料被開發(fā)出來，其中具有優(yōu)良保溫性能的氣凝膠是最重要的研究課題之一。

基于塑料和樹脂的木質(zhì)氣凝膠在保溫性能上已優(yōu)于商用海綿材料，但它們受到生物降解性差的嚴重限制，可能導致廢物的積累和大量的環(huán)境問題。此外，基于納米級積木的類似木材氣凝膠也受到其可持續(xù)性不足和成本高的限制。因此，面對不可持續(xù)性的問題，開發(fā)低成本、低能耗、環(huán)保的新型砌塊將對類似木材氣凝膠的發(fā)展起到至關重要的作用。通過從實際木塊中去除木質(zhì)素，還可以獲得具有木材狀排列結構的多孔材料，顯示了一種將天然原材料加工成隔熱材料的自上而下的策略。

圖文速遞

圖1.純天然木材氣凝膠的制備和應用

圖2. SNWPs的表征

圖3.純天然木質(zhì)氣凝膠的木質(zhì)通道結構表征

圖4.純天然木材氣凝膠的導熱系數(shù)

圖5.純天然木材氣凝膠的優(yōu)異阻燃性

小結

總之，作者報道了一種表面改性策略，以激活生物質(zhì)顆粒的表面，并通過自下而上的構建方法，使用天然原料生產(chǎn)純天然木材氣凝膠。制備的純天然木材氣凝膠不僅具有比大多數(shù)商用海綿材料和天然輕木更好的隔熱性能和阻燃性，而且這種氣凝膠完全可生物降解，使用后不會對環(huán)境造成損害，并使其成為大多數(shù)商用隔熱材料的理想替代品。這種具有優(yōu)異隔熱和防火性能的環(huán)保氣凝膠減少了碳排放，這一直是科學界和材料實際應用的關注點。

文獻信息

An all-natural wood-inspired aerogel.?Angew. Chem. Int. Ed.,?2022, DOI: 10.1002/anie.202211099.

https://doi.org/10.1002/anie.202211099.

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