江南大学：氧化锌 / 纤维素层状冷冻凝胶，在热绝缘领域的应用《Cellulose》

文摘 2025-01-26 15:31 山西

随着全球能源需求的增长和环保意识的增强，开发高效、可持续的隔热材料以降低能源消耗和碳排放成为当务之急。传统的石油基泡沫塑料如聚氨酯（PU）和聚苯乙烯（EPS）存在易燃和环境污染等问题，而纤维素冷冻凝胶因具有轻质、可再生和良好的绝缘性能，有望成为替代材料。然而，纤维素冷冻凝胶在高效隔热和机械增强方面仍面临挑战，如何进一步提升其性能成为研究的关键。

近日，江南大学的 Tingli Wang、Juanjuan Sun、Fang Zhang、Jialing Tan 和 Chaoxia Wang 等人在《Cellulose》杂志上发表了题为 “Ultra-lightweight and reinforced ZnO/Cellulose layered cryogel for thermal insulation” 的研究论文，开发出一种新型的氧化锌 / 纤维素（ZnO/CA）层状冷冻凝胶，在热绝缘领域取得重要进展。

针对上述问题，研究团队提出了一种制备 ZnO/CA 冷冻凝胶的策略。首先，利用氢氧化钠 - 尿素溶液溶解纤维素，该溶液能够破坏纤维素分子内和分子间的氢键，使其结晶结构从纤维素 I 转变为纤维素 II，从而实现纤维素的有效溶解。

接着，用硅烷偶联剂对氧化锌纳米颗粒进行表面改性，以提高其在纤维素前驱体溶液中的分散性。

随后，通过自下而上的定向冷冻过程，形成纤维素层状网络框架，最终经冷冻干燥得到具有均匀有序三维层状多孔结构的 ZnO/CA 冷冻凝胶。同时，研究团队还制备了 ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物，通过多次浸渍和干燥工艺，将冷冻凝胶紧密附着在棉织物上，增强织物的隔热性能。

实验结果显示，ZnO/CA 冷冻凝胶具有超低密度（0.071 - 0.102 g/cm³）和高孔隙率（95.75 - 93.47%），其杨氏模量达到 2.87 MPa，热导率低至 0.0138 W・m⁻¹・K⁻¹，在红外波段的总发射率低于 0.5。在 80℃的热靶上，该冷冻凝胶的表面辐射温度可降至 38℃。ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物相比未处理的棉织物，隔热性能提高了 74%，能有效为各种热源隔热。

该研究成果为开发可穿戴隔热设备和高性能隔热材料提供了新的可能性。新型 ZnO/CA 冷冻凝胶及其涂层织物展现出的优异性能，有望在建筑、服装、电子等多个领域得到广泛应用，推动隔热材料的升级换代，助力实现节能减排和可持续发展目标。

图文导读

图 1. a：纤维素在 NaOH - 尿素溶液中溶解及制备 ZnO/CA 冷冻凝胶的示意图；b：ZnO/CA 凝胶的斜瓶试验；c：放置在树叶上的轻质 ZnO/CA 冷冻凝胶照片；d：纤维素和 CA 的 FTIR 光谱；e：纤维素和 CA 的 XRD 衍射光谱

图 2 a - b：ZnO 和 K-ZnO 的 SEM 图像；c：ZnO 纳米颗粒的 FTIR 光谱；d：ZnO 纳米颗粒的 XRD 光谱；e：ZnO 和 K-ZnO 的累积粒径曲线；f：ZnO 和 K-ZnO 的粒径分布曲线

图 3 a - b：ZnO/CA - 3 冷冻凝胶的表面和横截面 SEM 图像；c - d：ZnO/CA - 3 冷冻凝胶的表面和横截面元素分布

图 4 a：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的密度；b：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的孔隙率；c：ZnO/CA - 3 冷冻凝胶的氮吸附 - 解吸曲线和孔径分布；d：ZnO/CA 冷冻凝胶与先前冷冻凝胶的密度比较

图 5 a：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的压缩应力 - 应变曲线；b：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的压缩应力；c：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的杨氏模量；d：500g 重物在 CA 和 ZnO/CA - 3 冷冻凝胶上的高度变化

图 6 a：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的热重（TG）曲线；b：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的微分热重（DTG）曲线

图 7 a：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶的热导率；b：ZnO/CA 冷冻凝胶与先前冷冻凝胶的热导率比较；c：ZnO/CA - 3 冷冻凝胶侧面 P1、P2、P3、P4 点及背景点 P5 的温度 - 时间曲线（P1 至 P4 点距冷冻凝胶底部距离分别为 0、3、6、9mm，P1 在底部，P4 在顶部）；d：ZnO/CA - 3 冷冻凝胶侧面的热分布等高线图；e：ZnO/CA - 3 冷冻凝胶侧面的热红外图像

图 8 a：CA 和 ZnO/CA - 2 的温度 - 时间曲线；b：CA 和 ZnO/CA - 2 的热图像；c：厚度对 ZnO/CA - 3 冷冻凝胶表面温度的影响；d：ZnO/CA - 3 在 36℃时的温度 - 时间曲线；e：ZnO/CA - 3 在 6℃时的温度 - 时间曲线；f：CA 和 ZnO/CA - 2 冷冻凝胶在红外波段的发射率；g：CA 和 ZnO/CA - 2 冷冻凝胶在大气窗口的发射率；h：ZnO/CA 冷冻凝胶的隔热机理示意图

图 9 a：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶在垂直燃烧试验中的续燃时间（样品尺寸 125mm×13mm×3mm，燃烧 12s）；b：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶在垂直燃烧试验中的阴燃时间（样品尺寸 125mm×13mm×3mm，燃烧 12s）；c：CA 和 ZnO/CA 冷冻凝胶在垂直燃烧试验中的损坏长度（样品尺寸 125mm×13mm×3mm，燃烧 12s）；d：在酒精灯下的可视化燃烧实验；e：ZnO/CA - 3 在酒精灯火焰下的红外热图像

图 10 a：棉织物和 ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物的应力 - 应变曲线；b：棉织物和 ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物的断裂强度和断裂伸长率；c：放置在 90℃热靶上的 CZo - 4 的温度 - 时间曲线；d：棉织物和 ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物的热导率；e：棉织物和 ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物的热阻；f：棉织物和 ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物的隔热率；g - i：部分覆盖 ZnO/CA 冷冻凝胶涂层织物的各种目标（人体头部、手部和手臂、图案织物和装满热水的瓶子）的热红外图像

总结

该研究通过特定策略成功制备出 ZnO/CA 冷冻凝胶及其涂层织物。在制备过程中，NaOH - 尿素溶液对纤维素的处理改变了其晶体结构，硅烷偶联剂提升了氧化锌的分散性。所制得的冷冻凝胶结构独特，兼具低密度、高孔隙率和较高压缩应力，在多个红外波段发射率显著降低，导热率也很低，隔热性能优异。其涂层织物表面结构特殊，能有效隔绝多种热源，长时间使用也能维持良好的隔热效果，在高性能隔热材料领域极具应用前景。

-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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玩转物理化学

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