工業(yè)建筑和維持室內(nèi)舒適溫度所消耗的能量占到世界每年總能耗的30%以上，隔熱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，傳統(tǒng)的有機(jī)隔熱材料普遍易燃，有機(jī)阻燃劑的使用則會(huì)對(duì)環(huán)境和人類健康造成危害；無(wú)機(jī)隔熱材料的熱導(dǎo)率普遍偏高。而一般的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合隔熱材料雖然阻燃性有所提高，但仍難耐受長(zhǎng)時(shí)間的火焰侵蝕，因?yàn)閱畏稚顟B(tài)的無(wú)機(jī)組分會(huì)隨著聚合物基體的燃燒而逐漸脫落，從而失去保護(hù)作用。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授課題組以殼聚糖為三微軟模板，發(fā)展了一種酚醛樹(shù)脂（PFR）與SiO2共聚和納米尺度相分離的合成新策略，成功研制了具有雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PFR/SiO2復(fù)合氣凝膠材料。研究論文發(fā)表在Angew.Chem.Int.Ed.上，論文的第一作者是博士后于志龍。

 圖1 雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PRF/SiO2復(fù)合氣凝膠的制備過(guò)程及結(jié)構(gòu)示意圖

這種雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合氣凝膠具有樹(shù)枝狀的微觀結(jié)構(gòu)，纖維的尺寸在20nm以內(nèi)，且兩種組分各自都成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)、無(wú)機(jī)組分在納米尺度上的均勻分散，兩組分間具有很強(qiáng)的界面相互作用。

圖2.雙網(wǎng)絡(luò)PFR/SiO2復(fù)合氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和組分分布圖。

 研究者通過(guò)調(diào)控硅源的添加量即可調(diào)控復(fù)合氣凝膠的密度、無(wú)機(jī)含量、力學(xué)強(qiáng)度等物理參數(shù)。這種復(fù)合氣凝膠可以承受60%的壓縮而不破裂，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和可加工性。該氣凝膠具有很好的隔熱效果，最低熱導(dǎo)率可達(dá)0.024W/m.K，優(yōu)于傳統(tǒng)的發(fā)泡聚苯乙烯等材料，在相對(duì)低溫和低濕度的環(huán)境下，其熱導(dǎo)率維持在0.028W/m.K。

圖3. PFR/SiO2復(fù)合氣凝膠的物理性能表征。（a）密度，（b）無(wú)機(jī)含量，（c）熱釋放速率，（d）力學(xué)壓縮曲線，（e）熱導(dǎo)率隨溫度變的化，（f）熱導(dǎo)率隨濕度的變化。

這種獨(dú)特的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)賦予該氣凝膠優(yōu)異的防火阻燃性能，研究人員用丙烷丁烷噴燈火焰（1300 oC）和酒精燈火焰（500～600 oC）來(lái)檢測(cè)氣凝膠的耐火性，并用紅外熱成像儀記錄樣品背面的溫度變化。經(jīng)過(guò)30分鐘的測(cè)試，噴燈火焰下樣品背面溫度穩(wěn)定在300 ℃左右，酒精燈火焰下溫度穩(wěn)定在150oC左右，而且，隨著有機(jī)組分的燃燒，SiO2網(wǎng)絡(luò)暴露出來(lái)并附著在氣凝膠表面而不會(huì)脫落，繼續(xù)發(fā)揮隔絕熱量的作用。這種材料可以避免在發(fā)生火災(zāi)時(shí)建筑物承力結(jié)構(gòu)的失效，為發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)人員撤離爭(zhēng)取了時(shí)間。

圖4. PFR/SiO2復(fù)合氣凝膠在噴燈火焰（左）和酒精燈火焰（右）下的隔熱阻燃效果。