中國科大研制出新型隔熱防火雙網絡復合氣凝膠

近日,中國科學技術大學教授俞書宏課題組以殼聚糖作為三維軟模板,發展瞭一種酚醛樹脂(PFR)與SiO2共聚和納米尺度相分離的合成新策略,成功研制出具有雙網絡結構的PFR/SiO2復合氣凝膠材料。

工業建築和維持室內舒適溫度所消耗的能量占世界每年總能耗的30%以上,隔熱材料的使用可以提高建築物能量利用率、降低能耗。傳統的有機隔熱材料普遍易燃,有機阻燃劑的使用會對環境和人類健康造成危害,無機隔熱材料的熱導率普遍偏高。而一般的有機無機復合隔熱材料雖然阻燃性有所提高,但仍難耐受長時間的火焰侵蝕,這是因為單分散狀態的無機組分會隨著聚合物基體的燃燒而逐漸脫落,從而失去保護作用。

俞書宏課題組研制出的雙網絡結構復合氣凝膠具有樹枝狀的微觀結構,纖維的尺寸在20nm以內,且兩種組分各自都成連續的網絡,實現瞭有機、無機組分在納米尺度上的均勻分散,同時兩組分間具有很強的界面相互作用。研究人員通過調控矽源的添加量即可調控復合氣凝膠的密度、無機含量、力學強度等物理參數。這種復合氣凝膠可以承受60%的壓縮而不破裂,具有一定的機械強度和可加工性。該氣凝膠具有很好的隔熱效果,最低熱導率可達24mW/mK,優於傳統的發泡聚苯乙烯等材料,在相對低溫和低濕度的環境下,其熱導率維持在28mW/mK。

這種獨特的雙網絡結構賦予瞭氣凝膠優異的防火阻燃性能。研究人員用丙烷丁烷噴燈火焰(1300℃)和酒精燈火焰(500-600℃)來檢測氣凝膠的耐火性,並用紅外熱成像儀記錄樣品背面的溫度變化。經過30分鐘的測試,噴燈火焰下樣品背面溫度穩定在300℃左右,酒精燈火焰下溫度穩定在150℃左右,且隨著有機組分的燃燒,SiO2網絡暴露出來並附著在氣凝膠表面而不會脫落,繼續發揮隔絕熱量的作用。這種材料可以一定程度上避免在發生火災時建築物承力結構的失效,為人員撤離爭取瞭時間。

相關研究成果發表在《德國應用化學》上,博士後於志龍為論文第一作者。該研究得到瞭國傢自然科學基金委創新研究群體、國傢自然科學基金重點基金、國傢重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。

中國科大研制出新型隔熱防火雙網絡復合氣凝膠

中國科大研制出新型隔熱防火雙網絡復合氣凝膠

雙網絡結構的PFR/SiO2復合氣凝膠的制備過程及結構示意圖

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