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殼聚糖婦用抗菌凝膠，高強度阻燃隔熱的全生物質氣凝膠

研究背景
隨著社會的發展，能源消耗越來越嚴重 。建筑能耗約占世界總能耗的40%，在建筑中安裝保溫材料以節約能源是很常見的 。石油基泡沫塑料如聚氨酯(PU)和發泡聚苯乙烯(EPS)是最常見的商用隔熱材料，因為它們成本低、重量輕和導熱率低，但它們的高可燃性限制了它們的應用 。油基泡沫的不可再生性加劇了能源危機，廢塑料泡沫造成的環境污染也成為人們普遍關注的社會問題 。因此，開發綠色安全的新型保溫材料迫在眉睫 。
氣凝膠具有低密度、高孔隙率和低熱導率的特點，在工業隔熱領域具有廣闊的應用前景 。與無機氣凝膠相比，有機聚合物氣凝膠具有優異的力學性能和加工性能 。其中，由于自然界大量生物質的經濟效益高、生態友好、可生物降解，生物聚合物氣凝膠可以有效解決石油基泡沫的不可再生性和環境污染問題，研究人員正在致力于各種生物質/生物聚合物(纖維素、果膠、殼聚糖等)的研發 。)-基氣凝膠 。聚合物分子鏈上有許多官能團(如-OH、-COOH、-NH2等 。).研究人員設計和開發了具有高機械強度和低熱導率的高性能生物基氣凝膠 。然而，與石油基聚合物泡沫類似，大多數生物聚合物氣凝膠仍然具有很高的火災危險性 。
近年來，通過將生物聚合物基質與阻燃劑(如蒙脫土鈉、碳酸氫鈉、聚磷酸銨等)共混，開發了阻燃生物基氣凝膠 。).然而氣凝膠阻燃性的提高往往伴隨著導熱系數、機械強度等綜合性能的劣化，阻燃劑的引入也對材料的生物降解性和環境友好性產生了嚴重的負面影響 。
針對上述問題，四川大學王玉忠/趙海波院士以天然豐富的海藻酸銨(al)和植酸(PA)為原料，通過物理交聯和定向冷凍技術成功制備了全生物質基聚合物氣凝膠 。低密度(0.052克/立方厘米)氣凝膠具有超高的機械模量(25.13.1兆帕)和超低的導熱率(34-38毫瓦/毫克) 。相關研究成果已發表在《復合材料第二部分》雜志上，標題為“具有超高機械模量、增強的阻燃性和良好隔熱應用的全生物質基氣凝膠” 。
【殼聚糖婦用抗菌凝膠，高強度阻燃隔熱的全生物質氣凝膠】

殼聚糖婦用抗菌凝膠，高強度阻燃隔熱的全生物質氣凝膠

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工作介紹
四川大學王玉忠/趙海波院士以可再生海藻酸銨和植酸為原料，通過氫鍵結合和冷凍干燥成功制備了全生物質基氣凝膠 。植酸不僅作為阻燃劑，還作為交聯劑與海藻酸銨基體形成交聯網絡 。低密度(0.052克/立方厘米)的氣凝膠表現出超高的機械模量(25.13.1兆帕)和比模量(440.454.4兆帕厘米3-1)，遠遠高于其他生物質氣凝膠 。由于其均勻的三維多孔網絡結構，氣凝膠表現出超低的熱導率(34-38 mW/mK)和優異的隔熱性能 。此外，植酸的引入賦予氣凝膠高阻燃性(極限氧指數為57%，UL94達到V-0級，散熱效率極低)，并使材料的生物降解性保持在較高水平(降解率為91.43%)，有利于環境安全 。基于超高的機械模量、阻燃性、隔熱性和生物降解性等特點，整個生物質基氣凝膠在建筑保溫材料中具有廣闊的前景 。由于原材料成本低，加工性能好，這項工作為制備具有高機械強度、阻燃性、環保性和安全性的絕熱材料提供了一種綠色、可擴展的新方法 。
圖文詳情
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圖1 。制備AL5PAX氣凝膠示意圖(一)；(b)在b)PA和AL之間形成交聯的氫鍵 。
備注：海藻酸鋁銨，植酸，這種物質在-100克水中的含量 。
>圖2. (a-c)ALPA和P5PA1的樣品瓶倒轉試驗；(d)將輕質AL5PA1氣凝膠置于羽毛上；(e) PA溶液、AL5氣凝膠和AL5PA1氣凝膠的FTIR譜圖；(f) 不同溫度下，AL5PA1氣凝膠的FTIR譜圖.
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圖3. (a-f)AL5氣凝膠和AL5PAX氣凝膠的SEM圖片. AL5氣凝膠(g-i)和AL5PA1氣凝膠(j-l)的元素mapping圖.
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圖4. AL5PA1氣凝膠機械性質的直觀圖.
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圖5. (a)AL5氣凝膠和AL5PAX氣凝膠的壓縮應力-應變曲線；(b) AL5氣凝膠、AL5PAX氣凝膠以及其他相似材料的壓縮模量隨密度變化的關系圖比較.
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圖6. AL5氣凝膠和AL5PAX氣凝膠的TGA曲線(a)和DTG曲線(b).
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圖7. 在150℃下加熱30min之后, AL5PA1氣凝膠(a)、EPS泡沫(b)和PU泡沫的紅外圖像. (d)在150℃下加熱30min之后，AL5PA1氣凝膠、EPS泡沫和PU泡沫的表面溫度.
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圖8. 200℃、250℃和300℃下，AL5PA1氣凝膠、EPS泡沫和PU泡沫的隔熱性能.
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圖9. 垂直燃燒試驗中AL5氣凝膠(a)和AL5PA1氣凝膠(b)的燃燒過程.
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圖10. 在50 kW/m2的熱流量下，AL5PAX氣凝膠的散熱速率(HRR,a)和總散熱量(THR,b).
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圖11. 在50 kW/m2的熱流量下AL5PAX氣凝膠的發煙速率(SPR,a)和總發煙量(TSP,b).
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圖12. 錐形量熱測試后AL5氣凝膠(a)和AL5PA1氣凝膠(b)的殘渣. (c-d) AL5PA1氣凝膠殘渣的SEM. (e-h) AL5氣凝膠殘渣和AL5PA1氣凝膠殘渣的拉曼譜圖和XPS結果.
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圖13. AL5氣凝膠(a)和AL5PA1氣凝膠(b)在不同溫度下分解產物的FTIR譜圖.
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圖14. AL5PA1氣凝膠和色譜級纖維素的生物降解度曲線.
原文鏈接
Cao M, Liu B-W, Zhang L, PengZ-C, Zhang Y-Y, Wang H, Zhao H-B, Wang Y-Z, Fully biomass-basedaerogels with ultrahigh mechanical modulus, enhanced flame retardancy,and greatthermal insulation applications, CompositesPart B (2021),
doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109309.
研究團隊介紹
通訊作者:王玉忠
中國工程院院士，有機高分子材料專家 ?，F任四川大學教授，環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室、新型防火阻燃材料開發與應用國家地方聯合工程研究中心和教育部環境友好高分子材料工程研究中心主任 。長期從事高分子材料功能化與高性能化的研究和工程技術開發，在解決高分子材料的阻燃、可生物降解和可循環利用等方面取得了系統的基礎和應用研究成果 。提出和發展了新的阻燃原理和技術，有效解決賦予材料高阻燃性與其高性能化相矛盾難題，在不同高分子材料中得到廣泛應用，市場占有率高，取得顯著經濟效益；提出發展可高回收率回收其單體的完全生物降解高分子材料是解決一次性使用塑料制品廢棄物造成環境污染和資源浪費的有效途徑，發明了可反復循環利用并且可完全生物降解的高分子材料新技術等 。發表SCI論文500余篇，SCI他引上萬次，出版專著/教材/手冊6部，2項基礎研究成果入編《國家自然科學基金資助項目優秀成果選編》；獲授權發明專利110余項，50余項已實施應用；獲11項國家和省部科技成果獎 。獲何梁何利科技進步獎、四川省科技杰出貢獻獎，獲寶鋼教育獎優秀教師獎、四川省優秀研究生指導教師稱號、四川大學首屆“最受學生歡迎教師獎”等榮譽 。
通訊作者：趙海波
四川大學化學學院副研究員、環保型高分子材料國家地方聯合工程實驗室常務副主任 。主要從事阻燃高分子復合材料研究，圍繞應用量大面廣的纖維和泡沫塑料兩大類高分子材料的火安全難題，取得了一系列原創性成果；作為負責人承擔了國家自然科學基金區域創新基金（重點項目）等國家級項目/任務6項；發表SCI論文39篇，其中第一/通訊作者發表SCI論文23篇，H-index為21；授權中國發明專利12項，核心技術已實施應用；獲2019年“國家自然科學二等獎”（排名第二）和2018年“高等學校自然科學獎一等獎”（排名第三）；成果在國內外阻燃界產生了重要影響，被國際權威專家評價為“開創性(pioneered)”的工作，“開辟(open)了全新的綠色阻燃技術” 。受邀在國際學術會議上作keynote報告3次、邀請報告3次；作為會議召集人舉辦阻燃高分子復合材料高端青年論壇1次 。
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