《Cellulose》冬天不怕冷了！藻酸钙/ 棉籽壳纤维/ 碳纳米管气凝胶加热器有望替代暖气

文摘 2025-01-27 15:52 山西

当前，全球能源危机和气候变暖问题严峻，建筑室内供暖消耗大量能源，产生的温室气体排放是全球变暖的重要因素。传统供暖方式效率低，大量能源浪费在加热室内空间的空旷区域和无生命物体上。个人热管理技术是直接基于人体进行加热和保温，减少能源消耗的有效途径。开发经济、环保的可穿戴加热器成为缓解全球能源和气候危机的关键。

近日，太原理工大学&武汉纺织大学的 Hualing He、Yushu Wang、Jinru Liu 等学者合作完成的研究 “Biomass based active-cum-passive aerogel heater with enhanced thermal insulation property derived from hollow cellulose kapok fiber for personal thermal management” 发表于Cellulose期刊。该研究成功开发出一种新型生物质基气凝胶加热器，为解决全球能源问题和提升个人热管理水平提供了新方案。

研究团队从自然界生物利用中空微结构抵御寒冷环境中获得灵感，利用棉籽壳纤维（KF）的天然中空结构和碳纳米管（CNTs）的优良性能，通过冷冻干燥法制备出藻酸钙（CA）/ 棉籽壳纤维（KF）/ 碳纳米管（CNTs）气凝胶加热器。具体而言，先对 KF 进行预处理，去除杂质，然后将其与藻酸钠、CNTs 等混合，经过交联和冷冻干燥等步骤得到气凝胶。其中，可再生的纤维素中空 KF 破坏了热传递路径，降低了气凝胶的热导率，使其具有超低密度；CNTs 则提供了良好的导电性和光热转换能力，实现焦耳加热和太阳能辐射的光热转换，使气凝胶在无电源时也能自发热。

实验结果显示，该气凝胶加热器热导率低至 0.024W/m・K，接近静态空气，密度仅为 0.027g/cm³，能自由立于花瓣之上。它具备出色的光热转换性能，在模拟阳光下表面温度可达 45.6℃；焦耳加热性能良好，不同驱动电压下能快速升温，且在多次加热 - 冷却循环中表现稳定。此外，该气凝胶加热器还具有优异的机械性能、透气性和抗菌性。经节能分析，使用这种气凝胶加热器替代传统供暖方式，中国每年可节省 6.03×10⁹kWh 的能源。

此生物质气凝胶加热器在可穿戴个人热管理领域潜力巨大，能增强人体在寒冷环境中的适应性，为解决全球能源和气候问题提供了新的方向，有望推动相关领域的技术发展和应用。

图文导读

图 1. a：生物基 CA/KF/CNT 可穿戴加热器的制备示意图；b：CA/KF/CNT 的比表面积和孔体积；c：CA/KF/CNT 气凝胶放置在花朵上的光学照片；d：CA/KF/CNT 的太阳能吸收率；e：CA/KF/CNT 主动 - 被动结合式可穿戴加热器用于个人热管理的概念示意图

图 2. a：原始棉籽壳纤维（KF）的 SEM 图像；b：CA/KF/CNT 气凝胶中预处理后的 KF 的 SEM 图像；c：CA/KF/CNT 气凝胶的 SEM 图像；d、e：对应图 2c 的 CA/KF/CNT 气凝胶的元素图谱；f：KF、CA/CNT 和 CA/KF/CNT 的 FTIR 曲线；g：CA/KF/CNT 的 XRD 曲线；h：模拟过程中连接点处压缩 - 释放变形过程的示意图；i：CA/KF/CNT 薄片（约 46mg，8mm 厚）承受 800g 拉伸载荷；j：CA/CNT、KF 和 CA/KF/CNT 的应力 - 应变曲线对比；k：CA/CNT、KF 和 CA/KF/CNT 的压缩应力 - 应变曲线；l：CA/KF/CNT 的可逆压缩应力 - 应变曲线

图 3. a：CA/CNT 和 CA/KF/CNT 的 SEM 图像；b：CA/CNT 和 CA/KF/CNT 在 300℃热板上不同放置时间的热图像；c：CA/KF/CNT 和 CA/CNT 在 50℃热板上重复加热 - 冷却循环下的温度 - 时间曲线；d：CA/KF/CNT 与其他隔热材料（如芳纶织物、棉花、丝绸、泡沫塑料和气泡膜）的隔热能力对比；e：具有管状中空结构的 CA/KF/CNT 气凝胶的热传递机制；f：CA/KF/CNT 与其他不同气凝胶的热导率和密度对比；g：单个管状纤维的隔热机制示意图

图 4. a：将 CA/KF/CNT 缝制在 T 恤上模拟实际电加热性能的数码和热图像;b：传统织物和 CA/KF/CNT 加热器的加热和保暖机制示意图; c：光热转换测试装置的示意图；d：在室温 12.5℃下，气凝胶在太阳灯照射下的表面温度曲线；e：在室温 12.5℃下，气凝胶在红外灯下的表面温度曲线；f：2021 年 3 月 11 日记录的室外太阳辐照度强度和温度；g：2021 年 3 月 11 日记录的室内太阳辐照度强度和温度

图 5. a：不同驱动电压下 CA/KF/CNT 气凝胶加热器的温度随时间变化曲线；b：输入电压为 10V 时，重复加热 - 冷却循环下的温度 - 时间曲线；c：CA/CNT 和 CA/KF/CNT 在焦耳加热过程中的温度随时间变化曲线；d：不同加热时间下装有冰块的瓶子的数码图像（左瓶底部有 CA/KF/CNT，右瓶没有）；e：驱动电压为 10V 时，装有冰块的瓶子底部的时间 - 温度曲线；f：应用于鞋垫模拟人体行走时的压缩稳定性能；g：在不规则角度下进行 1000 次循环弯曲测试；h：对 10° 至 90° 不同弯曲角度的电响应；i：对 430mg 小石头自由落下的 ΔR/R₀响应；j：大肠杆菌培养和焦耳加热 10 分钟后 CA/KF/CNT 的 SEM 图像

图 6. a：可集成多种功能属性以实现室内空间节能减排的个人热管理加热器示意图；b：人体与室内环境之间热交换的示意图；c：中国集中供暖分布图；d：中国 21 个城市实质性模拟的总供暖节能情况

结论

论文通过环保策略成功制备了 CA/KF/CNT 气凝胶加热器，该加热器优势显著。在材料特性上，纤维素中空 KF 使其热导率低、密度小；CNTs 则赋予其良好导电性和光热转换性能，实现焦耳热和自热功能。节能方面，经计算，使用该加热器代替传统加热方式，中国每年能节省大量能源。在使用体验上，它具备轻质、透气、灵活和环保的特点，能为穿戴者带来舒适与安全。整体而言，此研究为应对全球能源和气候问题提供了新的思路与方法，具有重要的现实意义和应用价值。

-作者介绍-

2020年博士毕业，现就职于一所地方高校，主讲《物理化学》课程。

专注→低成本功能材料开发，包括碳材料，疏水/亲水材料，纤维素提取利用，聚氨酯材料的开发与应用，欢迎合作，资助，交流。

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