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《德国应化》中科大俞书宏课题组开发出新型隔热防火双网络复合气凝胶

来源:热象纳米团队 日期:2019/2/12 10:44:00 人气:257

工业建筑和维持室内舒适温度所消耗的能量占到世界每年总能耗的30%以上,隔热材料的使用可以提高建筑物的能量利用率和降低能耗。然而,传统的有机隔热材料普遍易燃,有机阻燃剂的使用则会对环境和人类健康造成危害;无机隔热材料的热导率普遍偏高。而一般的有机无机复合隔热材料虽然阻燃性有所提高,但仍难耐受长时间的火焰侵蚀,因为单分散状态的无机组分会随着聚合物基体的燃烧而逐渐脱落,从而失去保护作用。

最近,中国科学技术大学俞书宏教授课题组以壳聚糖为三微软模板,发展了一种酚醛树脂(PFR)与SiO2共聚和纳米尺度相分离的合成新策略,成功研制了具有双网络结构的PFR/SiO2复合气凝胶材料。研究论文发表在Angew.Chem.Int.Ed.上,论文的第一作者是博士后于志龙。

 

 图1 双网络结构的PRF/SiO2复合气凝胶的制备过程及结构示意图

这种双网络结构的复合气凝胶具有树枝状的微观结构,纤维的尺寸在20nm以内,且两种组分各自都成连续的网络,实现了有机、无机组分在纳米尺度上的均匀分散,两组分间具有很强的界面相互作用。

 

 

图2.双网络PFR/SiO2复合气凝胶的微观结构和组分分布图。

 研究者通过调控硅源的添加量即可调控复合气凝胶的密度、无机含量、力学强度等物理参数。这种复合气凝胶可以承受60%的压缩而不破裂,具有一定的机械强度和可加工性。该气凝胶具有很好的隔热效果,最低热导率可达0.024W/m.K,优于传统的发泡聚苯乙烯等材料,在相对低温和低湿度的环境下,其热导率维持在0.028W/m.K。

 

图3. PFR/SiO2复合气凝胶的物理性能表征。(a)密度,(b)无机含量,(c)热释放速率,(d)力学压缩曲线,(e)热导率随温度变的化,(f)热导率随湿度的变化。

这种独特的双网络结构赋予该气凝胶优异的防火阻燃性能,研究人员用丙烷丁烷喷灯火焰(1300 oC)和酒精灯火焰(500~600 oC)来检测气凝胶的耐火性,并用红外热成像仪记录样品背面的温度变化。经过30分钟的测试,喷灯火焰下样品背面温度稳定在300 ℃左右,酒精灯火焰下温度稳定在150oC左右,而且,随着有机组分的燃烧,SiO2网络暴露出来并附着在气凝胶表面而不会脱落,继续发挥隔绝热量的作用。这种材料可以避免在发生火灾时建筑物承力结构的失效,为发生火灾事故时人员撤离争取了时间。

 

图4. PFR/SiO2复合气凝胶在喷灯火焰(左)和酒精灯火焰(右)下的隔热阻燃效果。

 

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