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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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中國科大研制出全天然仿木氣凝膠
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中國科大研制出全天然仿木氣凝膠 2023-02-08 來源： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)【字體：大 中 小】語音播報(bào) 木材作為用途廣泛的材料和豐富的資源，具有低密度、低導(dǎo)熱、良好的機(jī)械性能和可持續(xù)性等特性，已被使用了數(shù)千年。近年來，基于對木結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，各種具有獨(dú)特物理性能和廣泛應(yīng)用的仿木材料也被開發(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�；谒芰虾蜆渲姆履練饽z受到生物降解性差的限制，導(dǎo)致廢物的積累并帶來環(huán)境問題。而基于現(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)基元的仿木氣凝膠則受到其可持續(xù)性不足和成本高的限制。因此，為解決目前材料的不可持續(xù)性問題，開發(fā)低成本、低能耗、環(huán)保的新型構(gòu)筑基元將對仿木氣凝膠的發(fā)展起到重要作用。 近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏團(tuán)隊(duì)報(bào)道了經(jīng)過自下而上的策略，利用天然生物質(zhì)和天然礦物為原料，制備了具有優(yōu)良隔熱和耐火性能的純天然仿木氣凝膠。相關(guān)研究成果以Anall-natural wood-inspired aerogel為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。 論文共同第一作者為博士研究生韓子盟和孫文彬，通訊作者為合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的管慶方副研究員和俞書宏院士。 研究人員運(yùn)用巧妙的表面化學(xué)調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下活化微米尺度的木屑顆粒表面，從而暴露出纖維素納米纖維（圖1a）。這些顆粒表面的納米纖維顯著增強(qiáng)了顆粒之間的相互作用，結(jié)合單向冷凍技術(shù)構(gòu)建了強(qiáng)韌耐用的仿木氣凝膠。這種氣凝膠有著與天然木材類似的取向通道結(jié)構(gòu)（圖1b-g）。這種仿木結(jié)構(gòu)可以降低氣凝膠的熱導(dǎo)率，使其具有17.4 mW m-1K-1的超低徑向熱導(dǎo)率，優(yōu)于現(xiàn)有纖維素基氣凝膠材料和各類商用海綿（圖2a-c）。同時(shí)，加入天然粘土納米片使得這種氣凝膠的耐火性能有了較大改善，可承受1300℃高溫的火焰至少20分鐘而不被燒透（圖2d-h）。 這種全天然仿木氣凝膠的隔熱和防火性能均優(yōu)于天然巴沙木和大多數(shù)商業(yè)海綿，有望成為現(xiàn)有商業(yè)隔熱材料的理想替代品。此外，全天然仿木氣凝膠的天然的原料來源和低能耗低排放的制備工藝，使其具有良好的生物降解性和可持續(xù)性，可以減少隔熱材料在生產(chǎn)、使用和廢棄的過程中對環(huán)境的負(fù)面影響。 研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國高校協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃、安徽省科技重大專項(xiàng)、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。 論文鏈接 圖1.全天然氣凝膠的制備與結(jié)構(gòu)。（a）木屑顆粒表面納米化和仿木結(jié)構(gòu)構(gòu)造過程示意圖；（b-d）天然木材及其取向通道結(jié)構(gòu)；（e-g）全天然海綿及其取向通道結(jié)構(gòu)。 圖2.全天然氣凝膠的隔熱和防火性能。（a）全天然氣凝膠的隔熱性能與所報(bào)道的纖維素基和木基氣凝膠的對比；（b）Ashby圖展示了全天然氣凝膠的隔熱性能與各類商用海綿的對比；（c）從熱輻射、熱對流和熱傳導(dǎo)三種傳熱形式解釋全天然氣凝膠優(yōu)異隔熱性能的機(jī)理；（d-g）經(jīng)過火焰灼燒的仿木氣凝膠不同部位微觀結(jié)構(gòu)；（h）高溫碳化后氣凝膠徑向與軸向熱導(dǎo)率變化。 |
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