Science Advance：胡良兵&楊榮貴-各向異性的納米纖維素用作超隔熱納米材料

【引言】

為了降低碳足跡，尋找高性能的隔熱材料是住宅和商業建筑節能的關鍵。用于隔熱的材料需要復雜的特性組合，例如低熱能吸收/發射率、良好的機械強度和低質量密度、以及可生物降解性和成本效益。典型的絕熱材料，包括羊毛、聚苯乙烯泡沫塑料和軟木，通常表現出接近空氣的熱傳導率（?0.03W / m·K），其本質上是各向同性的，這對于有效的熱管理來說并不理想。

【成果簡介】

照片：手握超隔熱納米材料的胡良兵教授（右）和李恬博士（左）

今日，馬里蘭大學胡良兵教授和科羅拉多大學楊榮貴教授（共同通訊作者）等人展示了由木材直接制造的纖維素納米纖維卓越的熱管理能力，下文稱其為納米材料。這一材料表現出的各向異性的熱性能，在橫向上（垂直于納米纖絲）熱導率極低，為0.03W / m·K，在軸向上的熱導率約為橫向的兩倍，0.06W / m·K。導熱率的各向異性使得納米材料能夠沿著軸向有效地散熱，同時在橫向上產生絕熱。此外，納米材料在太陽光譜上表現出低于5％的發射率，并且能夠有效地反射太陽熱能。該成果以“Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose”為題，于今晨發表于期刊Science Advance上。論文的第一作者為李恬博士。

【圖文導讀】

圖1 可用作各向異性超級絕熱體的納米材料

（A）納米材料的絕熱性能示意圖。

（B）納米材料對于建筑隔熱應用的相應特性。

圖2 納米材料的結構表征

（A）納米材料中排列的無定形木質素和半纖維素被去除前后的納米纖絲示意圖。

（B）天然木材和納米材料中木質素、半纖維素和纖維素的濃度。

（C）納米材料的樣品照片。

（D）原纖維聚集體的分層結構排列，納米材料展現出大孔隙率。

（E）微小孔隙和納米材料內部排列通道的側視SEM圖像。

（F）由排列的納米纖絲組成的多孔通道壁的SEM圖像。

（G）納米通道的俯視SEM圖像。

圖3 納米材料的橫向和軸向熱傳遞

（A）軸向傳熱：沿著木材細胞壁的熱傳導。

（B）橫向傳熱：通過細胞壁和中空通道（即原纖維壁內的內腔和納米孔）的熱傳導。

（C）從室溫到65°C測量納米材料的熱導率。

（D）從室溫到80°C測量原始木材的熱導率。

（E）室溫下天然木材和納米材料的熱導率的比較。

圖4 納米材料的表征

（A）現有絕熱材料的導熱率比較。納米材料表現出非常低的橫向熱導率和高各向異性。

（B）與導熱系數小于0.05 W / m·K的其他材料以及天然椴木相比，納米材料的機械性能。

（C）大塊納米材料和薄且可卷曲的納米材料，箭頭指示對齊方向。

（D）納米材料的反射率。

（E）用波長為820nm的激光照射時，天然木材和納米材料的紅外圖像。

（F）（E）中樣品的溫度曲線。

圖5 與二氧化硅氣凝膠、聚苯乙烯泡沫塑料和天然木材相比，納米材料的隔熱性能

（A）1mm厚的納米材料樣本。

（B）由排列的纖維素納米纖絲組成的納米材料通道的SEM側視圖。

（C）在標準太陽模擬器照射下，二氧化硅氣凝膠和納米材料的光學反射、透射和吸收。

（D）橫向（垂直于納米纖維）照射的納米材料。

（E-F）頂面通過導熱膏直接與導電熱源接觸，絕熱體背面的溫度。

（G）使用輻射熱源（太陽模擬器）進行測量的示意圖。

（H-I）頂面接收來自太陽模擬器的輻射能量，不同絕熱體背面的溫度。

【小結】

研究開發的納米材料表現出獨特的各向異性熱性能，具有0.03W / m·K的低橫向熱導率以及2倍高的軸向導熱率?0.06W / m·K。納米材料還具有以下獨特性質：（i）由于纖維素纖維葡聚糖鏈的結晶排序，使其具有高達13MPa的機械強度，比纖維素泡沫高約50倍，比目前商用的最強絕熱材料高30倍；（ii）低質量密度; （iii）400-1100nm的低吸收率;（iv）資源豐富，可持續使用且成本較低。這一納米材料有望應用于節能建筑，空間的絕熱應用以及電氣設備絕緣。

文獻鏈接：Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose（Science Advance,2018,DOI: 10.1126/sciadv.aar3724）

感謝胡良兵教授課題組李恬博士對本文的斧正！

本文由材料人編輯部學術組Meadow供稿，材料牛整理編輯。

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