江西理工大学张思钊/熊仕显/肖芸芸等揭示壳聚糖杂化气凝胶纳米网络骨架强化新机制

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保温隔热材料在建筑领域的推广应用是解决当前建筑能耗高最有效的节能手段之一。以天然来源的生物质原料制备气凝胶保温隔热材料可有效降低环境负荷，壳聚糖是自然界储量第二的天然高分子甲壳素的衍生物，具有原料来源极为丰富、无毒无害、可生物降解等优良特性，采用完全源自天然材料的壳聚糖合成气凝胶保温隔热材料将与建筑节能理念高度契合，完全满足绿色建筑用气凝胶注重环境友好的迫切需求。因此，创新发展环境友好的新型生物质气凝胶对于节能增效，推动我国建筑节能领域绿色可持续发展和降低碳排放达峰具有重要意义。然而，壳聚糖气凝胶乃至生物质气凝胶的制备过程中长久以来存在超临界流体干燥前后材料收缩巨大等问题，使其难以具备适于实际场景的应用价值，限制了其在保温隔热领域的应用潜力。

图1 C/CA的部分化学反应原理、微观形貌、实物照以及壳聚糖原料的广泛来源

针对上述问题，江西理工大学青年教师张思钊、熊仕显、肖芸芸等提出采用纤维素纳米晶须同步构筑壳聚糖杂化气凝胶纳米网络骨架新策略，通过强化壳聚糖杂化气凝胶网络骨架实现大幅抑制其干燥收缩的问题。利用壳聚糖网络骨架生长时天然高分子纤维素纳米晶须与壳聚糖链结构单元间的超分子作用、物理缠结等“交联”驱动力，成功实现了纳米尺度下构建网络骨架强度显著提升的壳聚糖/纳米纤维素杂化气凝胶。如图1，通过引入纤维素纳米晶须，有效构筑了孔径分布均匀、纳米纤维与壳聚糖分子链间高度互穿网络的壳聚糖杂化气凝胶。得到的C/CA（纤维素纳米晶须杂化的壳聚糖气凝胶）具有较高的比表面积（578.43 cm² g^-1），孔径分布集中在20~60 nm之间，小于空气分子的平均自由程，从而有效抑制了壳聚糖杂化气凝胶的热对流过程，使其具有优异的隔热性能（常温常压下热导率为0.0272 W m^-1 K^-1）。此外，C/CA的宏观力学性能压缩强度也得到了明显改善，在3%的应变条件下，相较于NC/CA（空白样），C/CA的压缩强度提高超过3倍（图2）。本研究增强壳聚糖等生物质气凝胶网络骨架强度的新思路，将为强化生物质气凝胶纳米网络骨架进而实现显著抑制生物质气凝胶从终态凝胶到气凝胶阶段的巨大收缩提供理论与实验依据。

图2 NC/CA和C/CA的压缩应力-应变曲线

该研究成果以“壳聚糖/纳米纤维素杂化气凝胶的构建及其纳米结构”（Construction and Nanostructure of Chitosan/Nanocellulose Hybrid Aerogels）为题，于7月14日在美国化学会期刊《生物大分子》（Biomacromolecules）在线发表。

江西理工大学青年教师张思钊、熊仕显为论文的通讯作者，2020级硕士研究生何君鹏为第二作者，青年教师肖芸芸也对论文做出重要贡献。目前，研究团队已开始着手进行后续研究工作，全力推进壳聚糖气凝胶骨架增强关键核心技术研发，助力生物质气凝胶在我国建筑节能领域推动碳达峰碳中和方面贡献力量，实现能源的低碳转型、绿色转型。上述工作得到了江西省自然科学基金、中国博士后科学基金、赣州市科技计划项目重点研发计划、江西省技术创新引导类科技计划科技合作专项项目和江西省教育厅科学技术研究项目等的资助。

论文信息：

Sizhao Zhang,* Junpeng He, Shixian Xiong,* Qi Xiao, Yunyun Xiao, Feng Ding, Hui Ji, Zhouyuan Yang, and Zhengquan Li. Construction and Nanostructure of Chitosan/Nanocellulose Hybrid Aerogels. Biomacromolecules, 2021, DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00266.

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.biomac.1c00266

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