摘要：當(dāng)前，全球面臨突出的能源危機(jī)和環(huán)境污染，開發(fā)新型高效隔熱材料成為研究熱點(diǎn)。纖維素基復(fù)合氣凝膠是一種新興的可再生隔熱材料，獨(dú)特的納米多孔結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)率賦予其卓越的隔熱性能。結(jié)合納米纖維素的種類，綜述纖維素基復(fù)合氣凝膠的制備方法、類型及其隔熱應(yīng)用，以提高能源利用效率，降低能耗。

關(guān)鍵詞：纖維素；氣凝膠；復(fù)合材料；隔熱

中圖分類號：TQ427.26 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-0-03

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Research progress in thermal insulation of cellulose-based composite aerogels

ZENG Jiacheng1， LI Zhonghua1， LUO Jie1， TIAN Junjia1， ZHU Jundong1，2

（1. School of Resources & Environment， Hunan University of Technology and Business;

2. Hunan Provincial Key Laboratory of Carbon Neutrality and Intelligent Energy， Changsha 410205， China）

Abstract： Currently， the world is facing a prominent energy crisis and environmental pollution， making the development of new and efficient insulation materials a research hotspot. Cellulose-based composite aerogel is a new renewable thermal insulation material， its unique nano porous structure and low thermal conductivity endow it with excellent thermal insulation performance. The preparation methods， types and thermal insulation applications of cellulose-based composite aerogels are reviewed based on the types of nano cellulose， in order to improve energy utilization efficiency and reduce energy consumption.

Keywords： cellulose; aerogel; composite materials; thermal insulation

在當(dāng)前碳達(dá)峰和碳中和政策的推動下，化工、能源和建筑等行業(yè)將節(jié)能作為重要的研究方向。作為一種先進(jìn)隔熱材料，氣凝膠具有低密度、高孔隙率和低導(dǎo)熱率等優(yōu)異特性。為了保護(hù)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，國家和地方政府對于氣凝膠的研發(fā)和應(yīng)用持積極支持態(tài)度。在這一背景下，開發(fā)高性能且環(huán)境友好的氣凝膠隔熱材料，對于推動綠色低碳發(fā)展、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)具有重要作用[1]?？稍偕奶烊痪酆衔镔Y源豐富、價(jià)格低廉，以天然聚合物為基礎(chǔ)的纖維素基復(fù)合氣凝膠具有可再生性和環(huán)境友好性，滿足當(dāng)前實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。纖維素基復(fù)合氣凝膠的優(yōu)勢在于獨(dú)特的化學(xué)官能團(tuán)和精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，其可為高性能隔熱材料的研發(fā)開辟新道路。靈活采用不同的復(fù)合方式，如物理混合、化學(xué)交聯(lián)等，可以得到功能更加多樣的纖維素基復(fù)合氣凝膠。它不僅保留原始纖維素氣凝膠的優(yōu)異隔熱性能，還可能在機(jī)械強(qiáng)度、阻燃性等方面實(shí)現(xiàn)顯著提升[2]。納米纖維素可用于制備纖維素基復(fù)合氣凝膠，產(chǎn)品類型多樣，其在隔熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 納米纖維素的種類

納米纖維素是一種天然高聚物，分子間和分子內(nèi)的氫鍵存在于β-1，4連接的無水d-葡萄糖單元之間。它主要分為纖維素納米晶、纖維素納米纖維、微纖維化纖維素和細(xì)菌纖維素[3]。采用特定的制備方法，可從天然纖維素中提取不同類型的纖維素，這些纖維素展現(xiàn)出獨(dú)特物理和化學(xué)特性，應(yīng)用潛力巨大。

2 纖維素基復(fù)合氣凝膠的制備方法

制備纖維素基復(fù)合氣凝膠的主要途徑是將不同種類的納米纖維素加入適當(dāng)?shù)娜軇┲?，使其分散、溶解，最終經(jīng)溶膠-凝膠工藝和特定的干燥技術(shù)得到。在凝膠化過程中，納米纖維素的溶膠狀態(tài)經(jīng)歷物理或化學(xué)交聯(lián)，從而構(gòu)建出三維纖維網(wǎng)絡(luò)。物理交聯(lián)通常涉及氫鍵和靜電相互作用，而化學(xué)交聯(lián)則通過共價(jià)鍵或聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，能夠顯著提高材料的機(jī)械強(qiáng)度。在凝膠的干燥階段，干燥方法的選擇對氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)和性能有決定性影響。常見的干燥方法有3種，即冷凍干燥、常壓干燥和超臨界干燥。

2.1 冷凍干燥

冷凍干燥是去除生物質(zhì)凝膠中的溶劑并控制氣凝膠內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以防止結(jié)構(gòu)塌陷的常用方法。纖維素基復(fù)合氣凝膠的制備主要采用不同的冷凍方式，以調(diào)節(jié)纖維素氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，其孔厚度和間距取決于冰晶的形成和生長。CHEN等[1]采用不同的冷凍方式制備超輕纖維素基復(fù)合氣凝膠，均勻冷凍的氣凝膠表現(xiàn)出不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，其截面為條形孔；定向冷凍的氣凝膠顯示出規(guī)則的枝狀多孔結(jié)構(gòu)，其截面為點(diǎn)狀孔。因此，不同的冷凍方式對氣凝膠微觀形貌有重要影響，而定向冷凍方式可將材料制造成各向異性的多孔結(jié)構(gòu)。

2.2 常壓干燥

常壓干燥工藝條件溫和，操作簡單，是規(guī)?；a(chǎn)氣凝膠的主流工藝。但是，在干燥過程中，纖維素基復(fù)合氣凝膠往往會因毛細(xì)管力作用而發(fā)生嚴(yán)重的收縮和開裂。為降低氣液兩相界面的毛細(xì)管壓力，干燥前需要采用低表面張力溶劑置換凝膠孔洞內(nèi)的溶劑，或通過離子交聯(lián)、螯合作用等在孔壁形成足夠堅(jiān)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以抵抗毛細(xì)管引起的塌陷。MATTOS等[2]利用凍融交聯(lián)-常壓干燥技術(shù)來合成堅(jiān)固的纖維素基復(fù)合氣凝膠。這種技術(shù)是在解凍介質(zhì)中引入金屬硝酸鹽，使納米纖維素凍凝膠原位形成具有黏性且堅(jiān)固的金屬有機(jī)配位網(wǎng)絡(luò)涂層，并在干燥過程中不會有強(qiáng)烈的收縮。因此，可以最小的收縮風(fēng)干程度得到卓越強(qiáng)度和絕緣性能的輕質(zhì)多孔氣凝膠。

2.3 超臨界干燥

超臨界流體干燥主要是通過升高溫度和壓力，使液-氣過渡發(fā)生在物質(zhì)的臨界點(diǎn)之外，從而消除表面張力和毛細(xì)管力，能夠確保固體網(wǎng)絡(luò)的高度多孔性而無明顯收縮或開裂。其中，超臨界二氧化碳是形成超臨界干燥氣凝膠的常用物質(zhì)，在溫度31 ℃、壓強(qiáng)7.4 MPa條件下具有相對溫和的超臨界點(diǎn)。與其他液體（如甲醇或乙醇）相比，CO2具有無毒、不易燃、惰性且低成本的優(yōu)勢。汪超等[3]采用超臨界二氧化碳/乙醇作為共溶劑體系，證明醋酸纖維素具有良好的熱性能。但是，超臨界流體干燥對專業(yè)設(shè)備要求較高，高壓運(yùn)行中的設(shè)備存在較大的安全隱患。

3 纖維素基復(fù)合氣凝膠類型

纖維素基復(fù)合氣凝膠結(jié)合納米纖維素的物理特性，可通過原位復(fù)合、凝膠整體成型和顆粒或纖維增強(qiáng)成型3種方式獲得。其中，納米纖維素的線性分子易通過相互作用形成優(yōu)異物理結(jié)構(gòu)的聚集體，具有較大的表面改性潛力，能與其他材料結(jié)構(gòu)或化合物發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)或官能化，這使得有機(jī)基質(zhì)成為理想的復(fù)合氣凝膠候選材料。結(jié)合材料的物理特性，可優(yōu)化制備工藝，以得到經(jīng)濟(jì)高效和性能優(yōu)異的隔熱復(fù)合氣凝膠。

3.1 納米纖維素作為增強(qiáng)相制備復(fù)合氣凝膠

納米纖維素具有高強(qiáng)度、高比表面積和高反應(yīng)活性，作為聚合物基氣凝膠的增強(qiáng)相，優(yōu)勢顯著。首先，納米纖維素能夠有效地分散在基體中，形成堅(jiān)固的物理交聯(lián)點(diǎn)，增強(qiáng)復(fù)合材料的整體強(qiáng)度。其次，其高比表面積的接觸活性位點(diǎn)能與其他基體形成更多化學(xué)鍵或發(fā)生更多物理作用，強(qiáng)化復(fù)合材料的界面強(qiáng)度，改善其力學(xué)性能。此外，納米纖維素表面富含羥基等活性基團(tuán)，為其提供與其他化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)的能力。表面改性或接枝等技術(shù)可以強(qiáng)化納米纖維素與聚合物基體的相容性和相互作用，優(yōu)化復(fù)合氣凝膠的性能。納米纖維素作為增強(qiáng)相，參與制備的復(fù)合氣凝膠的多項(xiàng)性能得到增強(qiáng)，這使得纖維素基復(fù)合氣凝膠在建筑保溫和工業(yè)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 納米纖維素作為基質(zhì)制備復(fù)合氣凝膠

作為主要基質(zhì)材料時(shí)，納米纖維素用于承載其他納米材料，進(jìn)而得到復(fù)合氣凝膠。它具有自下而上的自組裝特性，可以為復(fù)合氣凝膠提供高比表面積、高孔隙率和高機(jī)械強(qiáng)度的載體平臺。這些納米材料可以通過直接涂覆在納米纖維表面、直接添加到納米纖維素分散液中或者在納米纖維素基材上生成客體納米材料等方法與納米纖維素結(jié)合。SAI等[4]將干燥的細(xì)菌纖維素基質(zhì)浸入預(yù)先制備的硅酸乙酯溶液中，使得SiO2膠體納米顆粒通過溶膠-凝膠過程在細(xì)菌纖維素基質(zhì)擴(kuò)散，形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行冷凍干燥，得到細(xì)菌纖維素——二氧化硅復(fù)合氣凝膠。憑借強(qiáng)大的細(xì)菌纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氣凝膠能夠承受冷凍干燥，避免碎裂。柔性細(xì)菌纖維素基質(zhì)使得復(fù)合氣凝膠具有較好的彈性性能。同時(shí)，二氧化硅網(wǎng)絡(luò)的硬度賦予復(fù)合氣凝膠高壓縮模量，改善傳統(tǒng)無機(jī)氣凝膠固有的易碎性。

4 纖維素基復(fù)合氣凝膠的隔熱應(yīng)用

纖維素基復(fù)合氣凝膠在隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步引起廣泛關(guān)注。納米纖維結(jié)構(gòu)的特性使氣凝膠具有獨(dú)特的小孔徑和高孔隙率，從而用作輕質(zhì)高效的隔熱材料。與傳統(tǒng)隔熱材料相比，納米纖維素基復(fù)合氣凝膠在相同隔熱效果下具有更小的密度和體積，有效降低材料的固相熱導(dǎo)率。納米孔徑和高孔隙率能夠有效地減少熱傳導(dǎo)和熱輻射，顯著減少外部熱流向內(nèi)部傳遞的速率，使得纖維素基復(fù)合氣凝膠具有較低的綜合熱導(dǎo)率和優(yōu)異的隔熱性能。另外，纖維素具有綠色環(huán)保性，制備過程無有害物質(zhì)和有毒氣體產(chǎn)生，其可再生性和可降解性符合可持續(xù)發(fā)展要求。

基于有機(jī)/無機(jī)復(fù)合技術(shù)，ZHANG等[5]采用雙向冷凍技術(shù)制備出結(jié)構(gòu)成形性好、機(jī)械強(qiáng)度高、保溫性能優(yōu)良的雙向各向異性聚酰亞胺/細(xì)菌纖維素氣凝膠。其中，細(xì)菌纖維素在氣凝膠中的均勻分散可以抑制其收縮并保持結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致孔隙率更高，密度更低，從而減少氣凝膠整體的熱傳導(dǎo)。Yuan等[6]采用原位溶膠-凝膠法將氫氧化鋁納米顆粒摻入纖維素凝膠中，制備纖維素基復(fù)合氣凝膠，制得的復(fù)合氣凝膠具有良好的透明度和優(yōu)異的力學(xué)性能。此外，氫氧化鋁的摻入可顯著降低纖維素氣凝膠的可燃性，在建筑材料中具有很大的應(yīng)用潛力。

納米纖維素基聚合物復(fù)合材料以輕質(zhì)高效、隔熱性能優(yōu)異、環(huán)保性能良好和適應(yīng)狹小空間隔熱需求的特性，在隔熱領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力和市場價(jià)值。隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，纖維素基復(fù)合氣凝膠可為新型隔熱復(fù)合材料的開發(fā)提供研究方向。

5 結(jié)論

纖維素基復(fù)合氣凝膠作為一種先進(jìn)的可持續(xù)隔熱材料，逐漸受到廣泛關(guān)注。獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)賦予氣凝膠出色的物理和化學(xué)功能性，使其在隔熱領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)對氣凝膠結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控，可利用多種復(fù)合方式優(yōu)化材料的物理性能，其中納米纖維素作為基質(zhì)或增強(qiáng)相，對復(fù)合氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和隔熱性能均有顯著的提升作用。得益于納米纖維素的納米尺度效應(yīng)、豐富的官能團(tuán)和獨(dú)特的相互作用，新型隔熱復(fù)合材料的開發(fā)方向逐漸明確，這為建筑保溫和節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來新選擇。

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