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  保溫隔熱材料在建筑領(lǐng)域的推廣應(yīng)用是解決當(dāng)前建筑能耗高最有效的節(jié)能手段之一。以天然來源的生物質(zhì)原料制備氣凝膠保溫隔熱材料可有效降低環(huán)境負荷，殼聚糖是自然界儲量第二的天然高分子甲殼素的衍生物，具有原料來源極為豐富、無毒無害、可生物降解等優(yōu)良特性，采用完全源自天然材料的殼聚糖合成氣凝膠保溫隔熱材料將與建筑節(jié)能理念高度契合，完全滿足綠色建筑用氣凝膠注重環(huán)境友好的迫切需求。因此，創(chuàng)新發(fā)展環(huán)境友好的新型生物質(zhì)氣凝膠對于節(jié)能增效，推動我國建筑節(jié)能領(lǐng)域綠色可持續(xù)發(fā)展和降低碳排放達峰具有重要意義。然而，殼聚糖氣凝膠乃至生物質(zhì)氣凝膠的制備過程中長久以來存在超臨界流體干燥前后材料收縮巨大等問題，使其難以具備適于實際場景的應(yīng)用價值，限制了其在保溫隔熱領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖1 C/CA的部分化學(xué)反應(yīng)原理、微觀形貌、實物照以及殼聚糖原料的廣泛來源

  針對上述問題，江西理工大學(xué)青年教師張思釗、熊仕顯、肖蕓蕓等提出采用纖維素納米晶須同步構(gòu)筑殼聚糖雜化氣凝膠納米網(wǎng)絡(luò)骨架新策略，通過強化殼聚糖雜化氣凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架實現(xiàn)大幅抑制其干燥收縮的問題。利用殼聚糖網(wǎng)絡(luò)骨架生長時天然高分子纖維素納米晶須與殼聚糖鏈結(jié)構(gòu)單元間的超分子作用、物理纏結(jié)等“交聯(lián)”驅(qū)動力，成功實現(xiàn)了納米尺度下構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)骨架強度顯著提升的殼聚糖/納米纖維素雜化氣凝膠。如圖1，通過引入纖維素納米晶須，有效構(gòu)筑了孔徑分布均勻、納米纖維與殼聚糖分子鏈間高度互穿網(wǎng)絡(luò)的殼聚糖雜化氣凝膠。得到的C/CA（纖維素納米晶須雜化的殼聚糖氣凝膠）具有較高的比表面積（578.43 cm² g^-1），孔徑分布集中在20~60 nm之間，小于空氣分子的平均自由程，從而有效抑制了殼聚糖雜化氣凝膠的熱對流過程，使其具有優(yōu)異的隔熱性能（常溫常壓下熱導(dǎo)率為0.0272 W m^-1 K^-1）。此外，C/CA的宏觀力學(xué)性能壓縮強度也得到了明顯改善，在3%的應(yīng)變條件下，相較于NC/CA（空白樣），C/CA的壓縮強度提高超過3倍（圖2）。本研究增強殼聚糖等生物質(zhì)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)骨架強度的新思路，將為強化生物質(zhì)氣凝膠納米網(wǎng)絡(luò)骨架進而實現(xiàn)顯著抑制生物質(zhì)氣凝膠從終態(tài)凝膠到氣凝膠階段的巨大收縮提供理論與實驗依據(jù)。

圖2 NC/CA和C/CA的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

  該研究成果以“殼聚糖/納米纖維素雜化氣凝膠的構(gòu)建及其納米結(jié)構(gòu)”（Construction and Nanostructure of Chitosan/Nanocellulose Hybrid Aerogels）為題，于7月14日在美國化學(xué)會期刊《生物大分子》（Biomacromolecules）在線發(fā)表。

  江西理工大學(xué)青年教師張思釗、熊仕顯為論文的通訊作者，2020級碩士研究生何君鵬為第二作者，青年教師肖蕓蕓也對論文做出重要貢獻。目前，研究團隊已開始著手進行后續(xù)研究工作，全力推進殼聚糖氣凝膠骨架增強關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，助力生物質(zhì)氣凝膠在我國建筑節(jié)能領(lǐng)域推動碳達峰碳中和方面貢獻力量，實現(xiàn)能源的低碳轉(zhuǎn)型、綠色轉(zhuǎn)型。上述工作得到了江西省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、贛州市科技計劃項目重點研發(fā)計劃、江西省技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)類科技計劃科技合作專項項目和江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目等的資助。

  論文信息：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.

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