徐坚:超轻超弹聚苯并恶唑气凝胶的制备及其在耐火隔热中的应用

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当今社会，提高能源利用率是可持续发展的关键之一。据统计，全球有超过10%的能源被用于建筑物制冷制热领域。商业化保温材料，如发泡聚苯乙烯、矿物棉等，被广泛应用于建筑物来减少能源消耗。但这些低效保温材料对能源利用率提高有限，更加高效的保温材料显得尤为重要。

  气凝胶作为以空气为主的三维网络多孔材料，具有低密度，低导热系数等特点。以二氧化硅气凝胶为例，其导热系数可低至17 mW m-1K-1，但机械脆性和高昂成本限制了其进一步应用。而有机气凝胶往往需要与阻燃剂复合达到阻燃效果，且在燃烧时释放有毒物质，危害身体健康。因此，制备一种高机械性能，无阻燃剂添加的无烟耐火保温气凝胶仍具有挑战。

  近期，中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室赵宁研究员和徐坚研究员课题组以聚对苯撑苯并二恶唑（PBO）纳米纤维制备耐火隔热全有机气凝胶。PBO是一种刚棒状聚合物，具有优异的耐高温性，阻燃性和低烟释放等优点。他们开发了（1）质子消耗诱导凝胶化减少体积收缩；（2）低冷却速率冻干方法得到纤维均匀分散的三维骨架而不是蜂窝孔状结构；（3）热处理获得超高回弹性气凝胶。

酸性溶液中的PBO纳米纤维；PBO气凝胶的耐火保温及高回弹性

  基于纳米纤维物理缠结和化学交联，该气凝胶具有低密度（3.6-15.7 mg cm-3），高孔隙率（98.9-99.7%），高比表面积（155.4 m2g-1），低导热系数（26.2-37.7mW m-1K-1）和极限应变（99%）下的超高回弹性。该气凝胶还具有优异的热稳定性，包括高分解温度（680 ℃）和高长期使用温度（350 ℃）。不仅如此，气凝胶拥有突出的耐火性能，在UL-94测试中达到V-0级，极限氧指数高达52.8%，并且在模拟真实火灾条件下无法被点燃。该气凝胶与气相二氧化硅复合后可以承受1000 ℃的高温并具有优异的隔热效果。该气凝胶在高效节能领域，尤其是在极端条件下具有潜在应用，如建筑物，航空航天等。研究成果发表在J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 20769.

  论文链接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c8ta07204c#!divAbstract