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    江西理工大學張思釗/熊仕顯/肖蕓蕓等揭示殼聚糖雜化氣凝膠納米網絡骨架強化新機制
    2021-07-15  來源:高分子科技

      保溫隔熱材料在建筑領域的推廣應用是解決當前建筑能耗高最有效的節能手段之一。以天然來源的生物質原料制備氣凝膠保溫隔熱材料可有效降低環境負荷,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能理念高度契合,完全滿足綠色建筑用氣凝膠注重環境友好的迫切需求。因此,創新發展環境友好的新型生物質氣凝膠對于節能增效,推動我國建筑節能領域綠色可持續發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用價值,限制了其在保溫隔熱領域的應用潛力。


    圖1 C/CA的部分化學反應原理、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筑殼聚糖雜化氣凝膠納米網絡骨架新策略,通過強化殼聚糖雜化氣凝膠網絡骨架實現大幅抑制其干燥收縮的問題。利用殼聚糖網絡骨架生長時天然高分子纖維素納米晶須與殼聚糖鏈結構單元間的超分子作用、物理纏結等“交聯”驅動力,成功實現了納米尺度下構建網絡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絡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,使其具有優異的隔熱性能(常溫常壓下熱導率為0.0272 W m-1 K-1)。此外,C/CA的宏觀力學性能壓縮強度也得到了明顯改善,在3%的應變條件下,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氣凝膠網絡骨架強度的新思路,將為強化生物質氣凝膠納米網絡骨架進而實現顯著抑制生物質氣凝膠從終態凝膠到氣凝膠階段的巨大收縮提供理論與實驗依據。


    圖2 NC/CA和C/CA的壓縮應力-應變曲線


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


      江西理工大學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研究工作,全力推進殼聚糖氣凝膠骨架增強關鍵核心技術研發,助力生物質氣凝膠在我國建筑節能領域推動碳達峰碳中和方面貢獻力量,實現能源的低碳轉型、綠色轉型。上述工作得到了江西省自然科學基金、中國博士后科學基金、贛州市科技計劃項目重點研發計劃、江西省技術創新引導類科技計劃科技合作專項項目和江西省教育廳科學技術研究項目等的資助。


      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

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    (責任編輯:xu)
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