气凝胶材料由于自身具有低密度、高比表面积等特点，使其在诸多领域有着良好的应用前景。近年来，将气凝胶材料与基底材料结合构筑保温涂料是建筑保温隔热领域的热门研究话题。然而以SiO2气凝胶为代表的无机气凝胶普遍存在高脆性的问题，会降低复合材料整体的力学性能。除此之外，为了防止空气中的水汽对凝胶骨架的侵害，气凝胶往往会经过疏水处理，导致其难以与富水性材料结合。因此，制备具有良好机械性能且在不破坏微观结构的前提下能够与其它材料有效结合的复合气凝胶具有重要意义。
图1. 仿石榴结构复合气凝胶微球制备流程图
近日，针对气凝胶与富水材料结合在实际应用中的障碍，内蒙古科技大学赛华征副教授课题组，借助仿生学的理念，采用了二次凝胶化的手段构筑“仿石榴结构”的气凝胶微球（CABs）（图1）。具体来说是将疏水性的SiO2气凝胶粉体分散于聚乙烯醇溶液中以后和琼脂糖热溶液混合，再将该混合浆料滴入硅油中，在界面张力的作用下该浆料成球，伴随着琼脂糖的冷却凝胶化使得球形固化，其本质上是一种分散有大量疏水SiO2气凝胶的聚乙烯醇-琼脂糖复合凝胶微球。此时，SiO2气凝胶的孔洞内依然是空气，聚乙烯醇和琼脂糖分子链段相互交联形成水凝胶层（图1c）。将其烘干以后获得一种“仿石榴结构”的复合气凝胶微球，其疏水性的SiO2气凝胶微粒相当于石榴籽，由聚乙烯醇和琼脂糖复合而成的亲水性高分子膜构成石榴外皮（图2c-d）和内部分割石榴籽的内皮（图2f中蓝色圈里）。为了进一步优化CABs的性能，作者探究了聚乙烯醇及琼脂糖溶液浓度对气凝胶微观结构的影响。基于对SEM、BET、TGA等表征分析，选定合理高分子溶液浓度，使微球保留气凝胶高比表面积、低热导率等优异性能。
接触角表征分析表明，CABs具有独特的浸润性，呈现出外部亲水而内部疏水的特性（图3），从而使其在与水性材料复合使用时不仅能够呈现良好的兼容性，而且依然能够有效抵御水汽对凝胶骨架的破坏。通过拉拔强度测试，CABs与水性材料复合所得到的复合涂层（WTICC）相较于普通气凝胶粉末与水性材料复合所得到的复合涂层（WTICN）粘结强度提高了近八倍（图4），从根本上解决了疏水性气凝胶材料与水性基体相容性差的问题。
作者进一步对CABs及WTICC的压缩性能进行考查，发现特殊的结构赋予了SiO2基复合气凝胶微球以良好的强度来更好地抵御外力的冲击。CABs自身的高强度以及前述其与水性基体良好的相容性，使得CABs与水性材料复合所得到的复合材料（WTICC）具有优异的抗压性能（图5）。此外，WTICC相较于普通涂层具有更优的保温隔热性（图6）。随着能源形势的日益严峻及建筑能耗的不断增长，建筑节能日益成为人们关注的焦点。这项工作所制备出的独特仿石榴状结构材料可以解决气凝胶与水性涂料复合使用时存在的难题并保留气凝胶良好保温隔热性，为气凝胶材料在建筑保温节能领域的应用提供了新思路。
该工作以“Robust composite aerogel beads with pomegranate-like structure for water-based thermal insulation coating”为题发表在Elsevier集团旗下刊物《Construction and Building Materials》上。内蒙古科技大学硕士研究生谷婕为第一作者，赛华征副教授、付蕊博士为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然基金、内蒙古自治区科技计划项目及内蒙古自治区高层次人才引进项目等支持。
相关进展
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