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華南理工大學(xué)劉德桃/華中科技大學(xué)胡潤ACS Nano:新型木質(zhì)纖維素溫控材料問世

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在全球建筑與施工行業(yè)占據(jù)約34%的能源需求并貢獻(xiàn)37%的二氧化碳排放的背景下,傳統(tǒng)保溫材料如泡沫混凝土、聚合物泡沫等雖然廣泛應(yīng)用,卻存在制造能耗高、碳排放大、無法主動(dòng)調(diào)節(jié)熱量等局限。相變材料(PCMs)雖能儲(chǔ)熱釋熱,但有機(jī)PCM易燃燒、體積變化大,無機(jī)PCM則易泄漏、腐蝕結(jié)構(gòu),嚴(yán)重限制了其在建筑溫控中的應(yīng)用。多年來,研究者一直未能實(shí)現(xiàn)耐火性、節(jié)能性與生物降解性之間的平衡,成為綠色建筑技術(shù)發(fā)展的一大瓶頸。

近日,華南理工大學(xué)劉德桃副研究員、華中科技大學(xué)胡潤教授提出了一種高性能生物基溫控材料,通過分子工程手段將無機(jī)相變材料層級(jí)封裝于納米結(jié)構(gòu)木質(zhì)纖維素泡沫中,成功研制出具有高強(qiáng)度(約20.3 MPa)、高環(huán)境耐久性、優(yōu)異溫控能力(溫差>24°C)和耐火性能(耐受1300°C高溫)的木質(zhì)纖維素溫控材料。該材料還具備完全生物降解性,廢棄后可轉(zhuǎn)化為磷肥,適用于多種生物質(zhì)資源如木材、竹材、稻稈和玉米稈,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。相關(guān)論文以“ Hierarchical-Morphology Lignocellulosic Thermostat for High-Efficiency Thermal Management ”為題,發(fā)表在ACS Nano上,論文第一作者為 Duan Yulong, Chen Zihe和Ji Wenhao。


研究團(tuán)隊(duì)利用林業(yè)與農(nóng)業(yè)廢棄物(如木屑、竹粉、稻稈等)為原料,通過DMAc/LiCl溶劑完全溶解纖維素,形成高粘度粘結(jié)劑,使木質(zhì)纖維素顆粒通過再生納米纖維素網(wǎng)絡(luò)重建氫鍵系統(tǒng),自粘結(jié)形成從納米級(jí)到米級(jí)的泡沫結(jié)構(gòu)(圖1a)。在此基礎(chǔ)上,通過真空浸漬方式將無機(jī)磷基相變材料(如Na?CO?·10H?O–Na?HPO?·12H?O共晶體系)封裝于泡沫中,形成溫控復(fù)合材料(圖1b)。該材料抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)超商用泡沫、金屬泡沫和天然輕木(圖1c),并展現(xiàn)出顯著的晝夜雙模式溫控能力(圖1d)。在實(shí)際戶外測(cè)試中,該材料表現(xiàn)出良好的吸熱與保溫性能(圖1e),在模擬干燥環(huán)境中優(yōu)于瓷磚和聚苯乙烯泡沫(圖1f,g)。


圖1. 木質(zhì)纖維素溫控器的結(jié)構(gòu)與性能 (a) 制備高性能可生物降解木質(zhì)纖維素泡沫的自粘結(jié)策略示意圖。左圖為具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的低值農(nóng)林粉末(木材、竹、玉米稈、稻稈);中圖為纖維素在DMAc/LiCl中的完全溶解;右圖為通過分子尺度纖維素鏈重建氫鍵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)顆粒自粘結(jié);底部為從納米至米尺度的材料尺寸示意。 (b) 工程化制備含無機(jī)相變材料(PCM)的泡沫示意圖:左為PCM,右為通過再生纖維素納米纖維在網(wǎng)絡(luò)中封裝PCM。 (c) 1.0 cm厚木質(zhì)纖維素溫控器與商用有機(jī)塑料泡沫、金屬泡沫、無機(jī)泡沫及輕木的抗壓強(qiáng)度對(duì)比。 (d) (上圖)木材源溫控器(紅線)與木質(zhì)纖維素泡沫(深綠線)的溫差對(duì)比;灰色背景為紅外輻射階段;(下圖)溫控器與泡沫上下表面溫差。 (e) 集成溫控板實(shí)物圖(左),一半為底部嵌有商用冷卻鋁板(60×120 cm),另一半為16塊木質(zhì)纖維素溫控器(13×13×1 cm);右圖為日光下(廣州,2024年2月2日)的紅外熱成像。 (f) 晝夜建筑熱管理中木質(zhì)纖維素溫控器與其他典型建材的對(duì)比示意圖。 (g) 模擬干燥條件下,溫控器小屋、瓷磚小屋和聚苯乙烯泡沫小屋內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖2進(jìn)一步展示了多種生物質(zhì)(木材、竹材、玉米稈等)制備的泡沫及其力學(xué)性能。通過再生纖維素策略,不同原料均可形成結(jié)構(gòu)均勻、自粘結(jié)的泡沫材料,其比模量與比強(qiáng)度表現(xiàn)優(yōu)異(圖2b),尤其是桉木粉末制備的泡沫機(jī)械性能最佳。掃描電鏡圖像顯示再生納米纖維素纖維(直徑約15–50 nm)在顆粒間形成強(qiáng)氫鍵連接(圖2c)。泡沫表現(xiàn)出明顯的各向異性,軸向抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于徑向(圖2e,f),其破壞機(jī)制與氫鍵網(wǎng)絡(luò)的斷裂密切相關(guān)(圖2g)。此外,該泡沫在酸堿侵蝕和水熱條件下仍保持較好的環(huán)境耐久性與可回收性(圖2h)。


圖2. 再生纖維素策略制備木質(zhì)纖維素泡沫 (a) 木材、竹材和玉米稈源木質(zhì)纖維素泡沫實(shí)物圖。 (b) 不同原料(60目篩分)所制泡沫的比模量與比強(qiáng)度。 (c) 掃描電鏡圖像顯示通過再生納米纖維素實(shí)現(xiàn)顆粒間自粘結(jié)的結(jié)構(gòu)(左、中圖),右圖為放大后的納米纖維。 (d) 木粉篩網(wǎng)目數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。 (e) 木材泡沫在軸向與徑向壓縮下的應(yīng)力對(duì)比(左圖為方向示意)。 (f) 兩種壓縮方向下機(jī)械破壞示意圖。 (g) 自粘結(jié)粉末機(jī)械分離的破壞機(jī)制:左為SEM顯示的破壞區(qū)域,右為再生納米纖維與顆粒間氫鍵系統(tǒng)的斷裂。 (h) 木材泡沫在不同酸堿侵蝕與水熱處理?xiàng)l件下的楊氏模量變化,以評(píng)估環(huán)境耐久性。

圖3展示了相變材料在泡沫中的均勻封裝過程。PCM溶液在低溫下結(jié)晶后完全填充泡沫孔隙(圖3a,d),經(jīng)EDS分析證實(shí)P、Na、C元素分布均勻(圖3e)。DSC與XRD分析顯示,PCMs在復(fù)合材料中保持晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,相變焓值高(熔化焓55.75 J/g,結(jié)晶焓54.84 J/g),且具備較低過冷度(約5.5°C),顯著提升了材料的溫控能力(圖3f-i)。DMA和TGA分析進(jìn)一步表明,材料在相變過程中模量變化可控,導(dǎo)熱系數(shù)提升至0.40 W/(m·K),同時(shí)保持良好的熱穩(wěn)定性(圖3j,k)。


圖3. PCM在木質(zhì)纖維素泡沫中的密封封裝 (a) 左:所制備PCM溶液的低流動(dòng)性(類似清水);右:60°C下真空輔助浸漬泡沫,完成PCM填充,經(jīng)15°C低溫結(jié)晶得溫控器。 (b) 木材源溫控器(左上)與泡沫(左下)的機(jī)械切割性能展示。 (c) PCM在納米結(jié)構(gòu)木質(zhì)纖維素泡沫中的封裝機(jī)制示意圖。 (d) SEM圖像顯示PCM完全填充泡沫基質(zhì)(左),右上方和右下方分別為軸向與徑向截面的填充情況。 (e) EDS能譜顯示P、Na、C元素的均勻分布,表明SCD與DHPD的混合。 (f) 空白腔體、純DHPD及不同比例DPHD-SCD混合物的放熱曲線對(duì)比。 (g) 木材泡沫與溫控器的放熱對(duì)比,插入紅外熱成像顯示其吸熱能力。 (h) 木材泡沫、溫控器及PCM的XRD圖譜,用于晶體結(jié)構(gòu)識(shí)別。 (i) 溫控器與PCM在熔融與凝固階段的DSC焓值對(duì)比。 (j) DMA曲線顯示溫控器與木材泡沫的儲(chǔ)能模量與損耗因子。 (k) DTG測(cè)試顯示溫控器與木材泡沫的熱重?fù)p失對(duì)比;插入圖為兩者熱導(dǎo)率(TC)。

圖4展示了該材料的實(shí)際應(yīng)用前景:在1300°C火焰噴射下持續(xù)21秒不燃穿(圖4a),展現(xiàn)出優(yōu)異的耐火性能;回收后的泡沫與溫控材料仍保持較高的機(jī)械強(qiáng)度和溫控能力(圖4b,c);綜合性能在防火、強(qiáng)度、溫控、安全性、可加工性、可降解肥效和環(huán)境可持續(xù)性方面均優(yōu)于商用泡沫、泡沫混凝土和金屬泡沫(圖4d)。模擬全年能耗分析顯示,該材料在全球多個(gè)城市均可實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)能,尤其在倫敦節(jié)能達(dá)21.1%(圖4f)。


圖4. 溫控器的實(shí)際應(yīng)用與節(jié)能前景 (a) 耐火測(cè)試:丁烷噴槍1300°C下持續(xù)燃燒溫控器8秒(左二)和21秒(左三),顯示良好阻燃性(右圖未燒穿)。 (b) 回收木材溫控器與泡沫的抗壓強(qiáng)度對(duì)比。 (c) 回收材料的熱管理性能對(duì)比。 (d) 溫控器與商用塑料泡沫、泡沫混凝土和金屬泡沫的性能雷達(dá)圖對(duì)比,包括耐火性、抗壓強(qiáng)度、熱調(diào)節(jié)、安全性、可批量性、可降解肥效和環(huán)境可持續(xù)性。 (e) 建筑中應(yīng)用溫控板進(jìn)行熱調(diào)節(jié)的示意圖。 (f) 全球典型城市年能耗與節(jié)能數(shù)據(jù)計(jì)算。

綜上所述,該研究通過一種簡單、可重復(fù)的策略,成功開發(fā)出具有高強(qiáng)度、優(yōu)良溫控、耐火和可生物降解的木質(zhì)纖維素溫控材料,不僅為建筑節(jié)能提供了創(chuàng)新解決方案,還可通過閉環(huán)循環(huán)實(shí)現(xiàn)廢棄材料的肥料化利用,具有推動(dòng)低碳、環(huán)保、健康生活的潛力。

來源:高分子科學(xué)前沿

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