壳聚糖妇用抗菌凝胶，高强度阻燃隔热的全生物质气凝胶

研究背景
随着社会的发展，能源消耗越来越严重。建筑能耗约占世界总能耗的40%，在建筑中安装保温材料以节约能源是很常见的。石油基泡沫塑料如聚氨酯(PU)和发泡聚苯乙烯(EPS)是最常见的商用隔热材料，因为它们成本低、重量轻和导热率低，但它们的高可燃性限制了它们的应用。油基泡沫的不可再生性加剧了能源危机，废塑料泡沫造成的环境污染也成为人们普遍关注的社会问题。因此，开发绿色安全的新型保温材料迫在眉睫。
气凝胶具有低密度、高孔隙率和低热导率的特点，在工业隔热领域具有广阔的应用前景。与无机气凝胶相比，有机聚合物气凝胶具有优异的力学性能和加工性能。其中，由于自然界大量生物质的经济效益高、生态友好、可生物降解，生物聚合物气凝胶可以有效解决石油基泡沫的不可再生性和环境污染问题，研究人员正在致力于各种生物质/生物聚合物(纤维素、果胶、壳聚糖等)的研发。)-基气凝胶。聚合物分子链上有许多官能团(如-OH、-COOH、-NH2等。).研究人员设计和开发了具有高机械强度和低热导率的高性能生物基气凝胶。然而，与石油基聚合物泡沫类似，大多数生物聚合物气凝胶仍然具有很高的火灾危险性。
近年来，通过将生物聚合物基质与阻燃剂(如蒙脱土钠、碳酸氢钠、聚磷酸铵等)共混，开发了阻燃生物基气凝胶。).然而气凝胶阻燃性的提高往往伴随着导热系数、机械强度等综合性能的劣化，阻燃剂的引入也对材料的生物降解性和环境友好性产生了严重的负面影响。
针对上述问题，四川大学王玉忠/赵海波院士以天然丰富的海藻酸铵(al)和植酸(PA)为原料，通过物理交联和定向冷冻技术成功制备了全生物质基聚合物气凝胶。低密度(0.052克/立方厘米)气凝胶具有超高的机械模量(25.13.1兆帕)和超低的导热率(34-38毫瓦/毫克) 。相关研究成果已发表在《复合材料第二部分》杂志上，标题为“具有超高机械模量、增强的阻燃性和良好隔热应用的全生物质基气凝胶” 。
【壳聚糖妇用抗菌凝胶，高强度阻燃隔热的全生物质气凝胶】

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工作介绍
四川大学王玉忠/赵海波院士以可再生海藻酸铵和植酸为原料，通过氢键结合和冷冻干燥成功制备了全生物质基气凝胶。植酸不仅作为阻燃剂，还作为交联剂与海藻酸铵基体形成交联网络。低密度(0.052克/立方厘米)的气凝胶表现出超高的机械模量(25.13.1兆帕)和比模量(440.454.4兆帕厘米3-1)，远远高于其他生物质气凝胶。由于其均匀的三维多孔网络结构，气凝胶表现出超低的热导率(34-38 mW/mK)和优异的隔热性能。此外，植酸的引入赋予气凝胶高阻燃性(极限氧指数为57%，UL94达到V-0级，散热效率极低)，并使材料的生物降解性保持在较高水平(降解率为91.43%)，有利于环境安全。基于超高的机械模量、阻燃性、隔热性和生物降解性等特点，整个生物质基气凝胶在建筑保温材料中具有广阔的前景。由于原材料成本低，加工性能好，这项工作为制备具有高机械强度、阻燃性、环保性和安全性的绝热材料提供了一种绿色、可扩展的新方法。
图文详情

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图1 。制备AL5PAX气凝胶示意图(一)；(b)在b)PA和AL之间形成交联的氢键。
备注：海藻酸铝铵，植酸，这种物质在-100克水中的含量。
>图2. (a-c)ALPA和P5PA1的样品瓶倒转试验；(d)将轻质AL5PA1气凝胶置于羽毛上；(e) PA溶液、AL5气凝胶和AL5PA1气凝胶的FTIR谱图；(f) 不同温度下，AL5PA1气凝胶的FTIR谱图.

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图3. (a-f)AL5气凝胶和AL5PAX气凝胶的SEM图片. AL5气凝胶(g-i)和AL5PA1气凝胶(j-l)的元素mapping图.

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图4. AL5PA1气凝胶机械性质的直观图.

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图5. (a)AL5气凝胶和AL5PAX气凝胶的压缩应力-应变曲线；(b) AL5气凝胶、AL5PAX气凝胶以及其他相似材料的压缩模量随密度变化的关系图比较.

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图6. AL5气凝胶和AL5PAX气凝胶的TGA曲线(a)和DTG曲线(b).

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图7. 在150℃下加热30min之后, AL5PA1气凝胶(a)、EPS泡沫(b)和PU泡沫的红外图像. (d)在150℃下加热30min之后，AL5PA1气凝胶、EPS泡沫和PU泡沫的表面温度.

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图8. 200℃、250℃和300℃下，AL5PA1气凝胶、EPS泡沫和PU泡沫的隔热性能.

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图9. 垂直燃烧试验中AL5气凝胶(a)和AL5PA1气凝胶(b)的燃烧过程.

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图10. 在50 kW/m2的热流量下，AL5PAX气凝胶的散热速率(HRR,a)和总散热量(THR,b).

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图11. 在50 kW/m2的热流量下AL5PAX气凝胶的发烟速率(SPR,a)和总发烟量(TSP,b).

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图12. 锥形量热测试后AL5气凝胶(a)和AL5PA1气凝胶(b)的残渣. (c-d) AL5PA1气凝胶残渣的SEM. (e-h) AL5气凝胶残渣和AL5PA1气凝胶残渣的拉曼谱图和XPS结果.

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图13. AL5气凝胶(a)和AL5PA1气凝胶(b)在不同温度下分解产物的FTIR谱图.

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图14. AL5PA1气凝胶和色谱级纤维素的生物降解度曲线.
原文链接
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.
研究团队介绍
通讯作者:王玉忠
中国工程院院士，有机高分子材料专家。现任四川大学教授，环保型高分子材料国家地方联合工程实验室、新型防火阻燃材料开发与应用国家地方联合工程研究中心和教育部环境友好高分子材料工程研究中心主任。长期从事高分子材料功能化与高性能化的研究和工程技术开发，在解决高分子材料的阻燃、可生物降解和可循环利用等方面取得了系统的基础和应用研究成果。提出和发展了新的阻燃原理和技术，有效解决赋予材料高阻燃性与其高性能化相矛盾难题，在不同高分子材料中得到广泛应用，市场占有率高，取得显著经济效益；提出发展可高回收率回收其单体的完全生物降解高分子材料是解决一次性使用塑料制品废弃物造成环境污染和资源浪费的有效途径，发明了可反复循环利用并且可完全生物降解的高分子材料新技术等。发表SCI论文500余篇，SCI他引上万次，出版专著/教材/手册6部，2项基础研究成果入编《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编》；获授权发明专利110余项，50余项已实施应用；获11项国家和省部科技成果奖。获何梁何利科技进步奖、四川省科技杰出贡献奖，获宝钢教育奖优秀教师奖、四川省优秀研究生指导教师称号、四川大学首届“最受学生欢迎教师奖”等荣誉。
通讯作者：赵海波
四川大学化学学院副研究员、环保型高分子材料国家地方联合工程实验室常务副主任。主要从事阻燃高分子复合材料研究，围绕应用量大面广的纤维和泡沫塑料两大类高分子材料的火安全难题，取得了一系列原创性成果；作为负责人承担了国家自然科学基金区域创新基金（重点项目）等国家级项目/任务6项；发表SCI论文39篇，其中第一/通讯作者发表SCI论文23篇，H-index为21；授权中国发明专利12项，核心技术已实施应用；获2019年“国家自然科学二等奖”（排名第二）和2018年“高等学校自然科学奖一等奖”（排名第三）；成果在国内外阻燃界产生了重要影响，被国际权威专家评价为“开创性(pioneered)”的工作，“开辟(open)了全新的绿色阻燃技术” 。受邀在国际学术会议上作keynote报告3次、邀请报告3次；作为会议召集人举办阻燃高分子复合材料高端青年论坛1次。
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