Science Advance：胡良兵&杨荣贵-各向异性的纳米纤维素用作超隔热纳米材料

【引言】

为了降低碳足迹，寻找高性能的隔热材料是住宅和商业建筑节能的关键。用于隔热的材料需要复杂的特性组合，例如低热能吸收/发射率、良好的机械强度和低质量密度、以及可生物降解性和成本效益。典型的绝热材料，包括羊毛、聚苯乙烯泡沫塑料和软木，通常表现出接近空气的热传导率（〜0.03W / m·K），其本质上是各向同性的，这对于有效的热管理来说并不理想。

【成果简介】

照片：手握超隔热纳米材料的胡良兵教授（右）和李恬博士（左）

今日，马里兰大学胡良兵教授和科罗拉多大学杨荣贵教授（共同通讯作者）等人展示了由木材直接制造的纤维素纳米纤维卓越的热管理能力，下文称其为纳米材料。这一材料表现出的各向异性的热性能，在横向上（垂直于纳米纤丝）热导率极低，为0.03W / m·K，在轴向上的热导率约为横向的两倍，0.06W / m·K。导热率的各向异性使得纳米材料能够沿着轴向有效地散热，同时在横向上产生绝热。此外，纳米材料在太阳光谱上表现出低于5％的发射率，并且能够有效地反射太阳热能。该成果以“Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose”为题，于今晨发表于期刊Science Advance上。论文的第一作者为李恬博士。

【图文导读】

图1 可用作各向异性超级绝热体的纳米材料

（A）纳米材料的绝热性能示意图。

（B）纳米材料对于建筑隔热应用的相应特性。

图2 纳米材料的结构表征

（A）纳米材料中排列的无定形木质素和半纤维素被去除前后的纳米纤丝示意图。

（B）天然木材和纳米材料中木质素、半纤维素和纤维素的浓度。

（C）纳米材料的样品照片。

（D）原纤维聚集体的分层结构排列，纳米材料展现出大孔隙率。

（E）微小孔隙和纳米材料内部排列通道的侧视SEM图像。

（F）由排列的纳米纤丝组成的多孔通道壁的SEM图像。

（G）纳米通道的俯视SEM图像。

图3 纳米材料的横向和轴向热传递

（A）轴向传热：沿着木材细胞壁的热传导。

（B）横向传热：通过细胞壁和中空通道（即原纤维壁内的内腔和纳米孔）的热传导。

（C）从室温到65°C测量纳米材料的热导率。

（D）从室温到80°C测量原始木材的热导率。

（E）室温下天然木材和纳米材料的热导率的比较。

图4 纳米材料的表征

（A）现有绝热材料的导热率比较。纳米材料表现出非常低的横向热导率和高各向异性。

（B）与导热系数小于0.05 W / m·K的其他材料以及天然椴木相比，纳米材料的机械性能。

（C）大块纳米材料和薄且可卷曲的纳米材料，箭头指示对齐方向。

（D）纳米材料的反射率。

（E）用波长为820nm的激光照射时，天然木材和纳米材料的红外图像。

（F）（E）中样品的温度曲线。

图5 与二氧化硅气凝胶、聚苯乙烯泡沫塑料和天然木材相比，纳米材料的隔热性能

（A）1mm厚的纳米材料样本。

（B）由排列的纤维素纳米纤丝组成的纳米材料通道的SEM侧视图。

（C）在标准太阳模拟器照射下，二氧化硅气凝胶和纳米材料的光学反射、透射和吸收。

（D）横向（垂直于纳米纤维）照射的纳米材料。

（E-F）顶面通过导热膏直接与导电热源接触，绝热体背面的温度。

（G）使用辐射热源（太阳模拟器）进行测量的示意图。

（H-I）顶面接收来自太阳模拟器的辐射能量，不同绝热体背面的温度。

【小结】

研究开发的纳米材料表现出独特的各向异性热性能，具有0.03W / m·K的低横向热导率以及2倍高的轴向导热率〜0.06W / m·K。纳米材料还具有以下独特性质：（i）由于纤维素纤维葡聚糖链的结晶排序，使其具有高达13MPa的机械强度，比纤维素泡沫高约50倍，比目前商用的最强绝热材料高30倍；（ii）低质量密度; （iii）400-1100nm的低吸收率;（iv）资源丰富，可持续使用且成本较低。这一纳米材料有望应用于节能建筑，空间的绝热应用以及电气设备绝缘。

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

感谢胡良兵教授课题组李恬博士对本文的斧正！

本文由材料人编辑部学术组Meadow供稿，材料牛整理编辑。

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