保温材料在热能管理和减少世界总能耗中发挥着至关重要的作用，它迫切需要材料具有优异的隔热性能和机械稳定性。其中，气凝胶基纳米多孔材料因其高孔隙率、高表面积、低密度和低热导率被认为是理想的保温材料之一。同时，基于可再生、高效隔热的气凝胶材料也是降低全球能源消耗和减缓气候变化所需的技术变革的重要组成部分。近年来，随着生物纳米材料的出现，天然纤维素（木材、竹材、棉花、草本植物等）衍生的纳米纤维素(NC)气凝胶因其具有可再生性、生物降解性、高表面积、可调长径比、低热膨胀系数以及可调的表面化学等优异性质，从而允许其与其他聚合物或纳米材料以可调控的界面相互作用，获得高性能杂化气凝胶材料，而受到最广泛的关注。

如图所示，CNCWs是以农业废弃物玉米芯为原料，通过羧基化学改性和高压均质，获得的一种新型的爪形纳米纤维素。其表面丰富的极性基团(如羟基和羧基)提供了高的亲水性和胶体稳定性。同时选择从工业废渣中提取的低成本Na2O·SiO2·nH2O作为硅源。采用溶胶-凝胶原位聚合技术和常压干燥法制备了多级有序的SiO2@CNCWs混合气凝胶(O-SCHA)。杂化气凝胶具备了较低的密度和稳定的形状，仅需一片叶子就可以承载。

经过热压成型处理后的O-SCHA的厚度降低到原高度的30%，密度相应增加。且O-SCHA呈现多级有序结构，从而形成致密化的层状横截面。纳米二氧化硅气凝胶层与CNCWs在制备过程中形成了稳定的杂化结构，同时纳米结构的排列保存完好。

为进一步分析增强机理，对压缩试验过程进行了实时观测。与天然木材、珍珠贝壳类似，生物仿生层状设计结构材料具有高度有序的层状结构，其中与纳米二氧化硅气凝胶层杂化的CNCWs紧密结合，呈现各向异性形态。在外力作用下，O-SCHA的变形增大，裂纹沿“Z”字形扩展。由于氢键的相互作用和爪形结构的相互连接，O-SCHA的层次有序层状结构也导致裂纹分叉、多裂纹和裂纹尖端插入，有效缓解了局部高应力，吸收更大的冲击能量。CNCWs表面的纳米二氧化硅气凝胶层在高压过程中会因摩擦而滑动，从而产生有效的能量耗散，爪形结构极大地改善了界面间的相互作用，对应力传递和损伤缓冲也起着关键作用。

热传输和隔热对于温度敏感产品的运输和储存、电子设备的热管理以及建筑内部环境的控制至关重要。O-SCHA具有优良的保温结构材料性能。此外，我们还对不同SiO2含量的O-SCHA的温度进行了红外热成像测试，随着SiO2含量的增加，其保温性能逐渐提高。此外，此工作还比较了O-SCHA与其他典型的纳米纤维素基复合材料的导热性能。O-SCHA的导热系数(0.021 W m-1 K-1)低于大多数纳米纤维素基复合材料。O-SCHA优异的隔热性能有两个关键特点。首先，特定的CNCWs原位杂化和多级有序的微观结构降低了气凝胶的固体热传导。其次，分层有序多孔结构减小了传热过程中的辐射和对流。燃烧实验以及垂直燃烧试验和极限氧指数(LOI)测量发现，O-SCHA具有良好的阻燃性和热稳定性。

综上所述，通过常压干燥和热压处理制备高强度、保温隔热的纳米纤维素杂化气凝胶。由于可调的纳米二氧化硅气凝胶层在纳米纤维素分子链上生长，并增强了H键的相互作用网络，获得的O-SCHA具有良好的力学稳定性。与此同时，原位杂化技术将它们各自的优异特性结合，如高比表面积、高强度、低密度和低导热系数。此研究工作得到国家自然科学基金(51903134)、山东省重点研发项目(2019GGX102080)、生物纤维与生态纺织品国家重点实验室(青岛大学)(K2019-09)和有机-无机复合材料国家重点实验室(oic-202201009)支持。

来源：ZJM课题组