纤维素气凝胶作为绝热材料的应用

隔热材料，是指在材料热流传递过程中能够起到阻碍热传导作用的材料，也被称做热绝缘材料。传统的绝缘性隔热材料，主要指玻璃纤维、硅酸盐、石棉、岩棉等，而新型绝热材料，则主要指气凝胶毡、真空板等。隔热材料的种类有很多，但由于材料类型、孔隙特征和使用条件等的不同，其隔热系数和隔热机理也有所差异。

气凝胶是通过干燥过程，用空气置换其内部所含的水分，具有非常高的孔隙率，所以有着极低的导热系数和优异的绝热性能，能有效抑制固体传热和气体传热，有望制备出良好的保温绝热材料。Wicklein 等人利用氧化石墨烯冷冻浇铸纳米纤维素悬浮液制备出了超绝缘、阻燃和强各向异性气凝胶，其性能优于传统的聚合物基绝缘材料(Figure 1)。该气凝胶具有优异的耐燃性，热容为 1561 mW，约为发泡聚苯乙烯的一半。JIMéNEZ 等人使用 TEMPO 氧化得到纳米原纤化纤维素通过两种不同的模具冷冻干燥制备气凝胶，通过改变冷却速率和温度梯度，发现控制溶剂的固化对气凝胶微观结构具有显着影响。不同的温度梯度导致不同的孔径分布，每个孔径具有其特定的形状和连通性，由此产生的原始结构显示的隔热性能不同，沿温度梯度方向取向的层状微结构的气凝胶显示出多孔通道，具有细胞微结构的气凝胶更高的孔隙率导热率最低可达到 0.024 W/Mk(Figure ）。

Figure 1 Fabrication and overview of the mechanical, thermal and fire-retardant properties of nanocomposite foams.

Figure 2 Aerogel microstructure and thermal insulation properties

复合隔热材料在生活中的应用也越来越广泛，大众普遍追求具有更高性能的复合隔热性材料，纳米纤维素气凝胶作为一种轻质化材料在各个方面都具有优异性能。Wang等人在多层石墨烯中插入二维磷酸锆生长，形成分层石墨烯限制的磷酸锆（ZrP/RGO）纳米片。然后采用单向冷冻技术将纤维素纳米纤维和ZrP/RGO纳米片组装成具有优异隔热、力学和阻燃性能的仿生结构气凝胶。与最新的纤维素纳米纤维气凝胶相比，垂直于层状排列的复合气凝胶具有超低的导热系数（18mW·m·k）、最大比杨氏模量（104kN·m·kg）、高的极限氧指数（33.5）和极低的峰值放热率（14.1kW/m）。

Zhang等人在纤维素骨架表面覆以聚苯胺导电聚合物，合成了具有三维结构的纤维素骨架。这种气凝胶不仅能有效地消耗电磁波，而且在保温隔热方面具有很大的应用潜力。纤维素-壳聚糖骨架的三维骨架可以大大提高导电损耗能力，而聚苯胺本身具有较高的红外反射率和较低的微波反射率，因此该复合材料具有较强的微波损耗性能，且与隔热材料兼容,在红外隐身方面具有潜在的应用前景。

[1] Sakai K,   Kobayashi Y, Saito T, et al. Partitioned airs at microscale and nanoscale: thermal diffusivity in ultrahigh porosity solids of nanocellulose. Scientific Reports, 2016, 6: 20434.

[2] WICKLEIN B, KOCJAN A, SALAZAR-ALVAREZ G, et al. Thermally insulating and fire-retardant lightweight anisotropic foams based on nanocellulose and graphene oxide. Nature Nanotechnology, 2015, 10(3): 277.

[3] JIMéNEZ-SAELICES C, SEANTIER B, CATHALA B, et al. Effect of freeze-drying parameters on the microstructure and thermal insulating properties of nanofibrillated cellulose aerogels. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2017, 84(3): 475-485

[4] Wang D, Peng H, Yu B, et al. Biomimetic structural cellulose nanofiber aerogels

with exceptional mechanical, flame-retardant and thermal-insulating properties. Chemical Engineering Journal, 2020, 389: 124449.

[5] Zhang Z, Tan J W, Gu W H, et al. Cellulose-chitosan framework/polyailine hybrid aerogel toward thermal insulation and microwave absorbing application. Chemical Engineering Journal, 2020, 395: 10.