钢筋混凝土结构在受热350摄氏度以上时强度会迅速下降,从而引起坍塌.近期,中国科学技术大学俞书宏教授课题组研制出一种具有双网络结构的酚醛树脂/二氧化硅复合气凝胶材料,可将1300摄氏度高温“隔热”为300摄氏度左右,在提高建筑安全及节能等方面具有应用前景.

国际学术期刊《德国应用化学》日前刊发了该成果.俞书宏课题组研制的这种双网络结构的复合气凝胶,具有树枝状的微观多孔结构,纤维尺寸在20纳米以内,且两种组分各自都成连续的网络,实现了有机、无机组分在纳米尺度上的均匀分散.这种气凝胶可承受60%的压缩而不破裂,具有良好的机械强度和可加工性;两组分间具有很强的相互作用,协同其多孔性,从而产生很好的保温隔热效果,优于传统发泡聚苯乙烯、矿物棉等材料.

研究人员使用1300摄氏度的丙烷丁烷喷灯火焰,检测这种气凝胶的防火性,并用红外热成像仪记录样品背面的温度变化.经过30分钟测试,样品背面的温度稳定在300摄氏度左右,而且随着有机组分的燃烧,二氧化硅网络暴露出来并附着在气凝胶表面而不会脱落,继续发挥隔绝热量作用.

据了解,这种新型材料优异的防火阻燃和耐火焰侵蚀性,可避免火灾时建筑物承力结构的失效,为人员撤离争取宝贵时间.此外,隔热材料的使用可以提高建筑物的能量利用率,降低能耗.

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最近,中国科学技术大学俞书宏教授课题组以壳聚糖作三维软模板,发展了一种酚醛树脂(PFR)与SiO2共聚和纳米尺度相分离的合成新策略,成功研制了具有双网络结构的PFR/SiO2复合气凝胶材料.研究论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,论文的第一作者是博士后于志龙.

双网络结构的PFR/SiO2复合气凝胶的制备过程及结构示意图

工业建筑和维持室内舒适温度所消耗的能量占到世界每年总能耗的30%以上,隔热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,传统的有机隔热材料普遍易燃,有机阻燃剂的使用则会对环境和人类健康造成危害,无机隔热材料的热导率普遍偏高.而一般的有机无机复合隔热材料虽然阻燃性有所提高,但仍难耐受长时间的火焰侵蚀,因为单分散状态的无机组分会随着聚合物基体的燃烧而逐渐脱落,从而失去保护作用.

为此,俞书宏教授课题组研制了这种双网络结构的复合气凝胶,该复合气凝胶具有树枝状的微观结构,纤维的尺寸在20 nm以内,且两种组分各自都成连续的网络,实现了有机、无机组分在纳米尺度上的均匀分散,并且两组分间具有很强的界面相互作用.研究人员通过调控硅源的添加量即可调控复合气凝胶的密度、无机含量、力学强度等物理参数.这种复合气凝胶可以承受60%的压缩而不破裂,具有一定的机械强度和可加工性.该气凝胶具有很好的隔热效果,最低热导率可达24 mW/mK,优于传统的发泡聚苯乙烯等材料,在相对低温和低湿度的环境下,其热导率维持在28 mW/mK.

这种独特的双网络结构赋予了气凝胶优异的防火阻燃性能.研究人员用丙烷丁烷喷灯火焰(1300 ℃)和酒精灯火焰(500——600 ℃)来检测气凝胶的耐火性,并用红外热成像仪记录样品背面的温度变化.经过30分钟的测试,喷灯火焰下样品背面温度稳定在300 ℃左右,酒精灯火焰下温度稳定在150 ℃左右,而且随着有机组分的燃烧,SiO2网络暴露出来并附着在气凝胶表面而不会脱落,继续发挥隔绝热量的作用.这种材料可以避免在发生火灾时建筑物承力结构的失效,为人员撤离争取了时间.

该工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助.