蘇州納米所在極端環(huán)境下的熱管理與低能耗氣凝膠制備方面取得進(jìn)展
人體熱管理材料在改善人體熱舒適和降低能耗方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。如何實(shí)現(xiàn)一種材料或結(jié)構(gòu)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫下保持涼爽、低溫下保持溫暖依然是本領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)之一，特別是在極端寒冷和極端炎熱環(huán)境下。為此，中科院蘇州納米所王錦等人設(shè)計(jì)合成了一類相變氣凝膠，即自身具有氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)和性能，其骨架由固-固相轉(zhuǎn)變材料構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)兼具氣凝膠的絕熱保溫和相變材料的自主溫度調(diào)控的優(yōu)異性能，相關(guān)成果發(fā)表在Soft Matter 2020,16,5906和高分子學(xué)報(bào)（2022，10.11777/j.issn1000-3304.2021.21187）上。
最近，中科院蘇州納米所王錦等人開發(fā)了一種以水玻璃為硅源的氧化硅氣凝膠低能耗制備技術(shù)（圖1a），并設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的氣凝膠-相變材料的layer-by-layer(LBL)雙層結(jié)構(gòu)(圖1c-e)，通過氣凝膠與相變材料的合作共贏、協(xié)同發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)寒(-30℃)和炎熱(70℃)環(huán)境下的長(zhǎng)續(xù)航保溫和隔熱：在極端嚴(yán)寒(-30℃)下，該LBL結(jié)構(gòu)維持20℃以上的時(shí)間比單純采用氣凝膠時(shí)延長(zhǎng)480%；在極端炎熱環(huán)境(70℃)中，該LBL結(jié)構(gòu)維持31℃以下的時(shí)間比單純采用氣凝膠時(shí)延長(zhǎng)了1360%。特別是模擬太陽(yáng)光直射曝曬時(shí)，該LBL結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)時(shí)間維持模型小汽車內(nèi)的溫度低于28℃。
圖1 超疏水氧化硅氣凝膠的制備示意圖、與傳統(tǒng)方法相比的試劑使用量對(duì)比、以及LBL結(jié)構(gòu)示意圖
如圖1所示，以硅酸鈉為原料，采用疏水化改性-溶劑置換-鈉離子去除-常壓干燥同步進(jìn)行的策略，實(shí)現(xiàn)了超疏水氧化硅氣凝膠的一鍋水煮法制備。此過程避免了離子交換樹脂的使用，也避免了水洗過程和乙醇置換過程，將上述試劑的使用量降低為零，因此該技術(shù)能源消耗極低（圖1b）。所制備的氣凝膠比表面積最高達(dá)635m2/g、接觸角達(dá)153°，熱導(dǎo)率低至0.049 W/m·K。
目前有很多研究選擇將相變材料封裝在氣凝膠中，解決相變材料的泄漏和低負(fù)載率問題，然而這種相互兼并的策略使得氣凝膠失去其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)率。因此本工作設(shè)計(jì)了如圖2a所示的兩種LBL結(jié)構(gòu)，將具有低熱導(dǎo)率的氧化硅氣凝膠與具有高相變焓的相變微膠囊結(jié)合，得到一種在極寒（-30℃）和炎熱（70℃）條件下的熱管理結(jié)構(gòu)。如圖2所示，采用氣凝膠作為保溫層時(shí)，溫度在94 s時(shí)開始低于20 ℃。Ⅰ型和Ⅱ型LBL的溫度開始降到20℃以下的時(shí)間分別為450s和252s。與氣凝膠層相比，Ⅰ型LBL結(jié)構(gòu)延遲了4.8倍，且達(dá)到熱平衡時(shí)，LBL的溫度比氣凝膠的溫度高達(dá)10℃以上，而最高溫差達(dá)到25℃以上。
圖2 在極寒條件下的保溫測(cè)試
夏季在太陽(yáng)光的照射下，沒有任何遮擋的車輛車內(nèi)溫度很容易達(dá)到高溫。因此本工作先后研究了這兩種結(jié)構(gòu)直接加熱以及在太陽(yáng)光模擬器照射下車輛模型的隔熱效果（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，在70℃的高溫環(huán)境下，Ⅰ型的LBL結(jié)構(gòu)保持舒適溫度(<31℃)的能力是Ⅱ型結(jié)構(gòu)和單一氣凝膠層的2.6倍和13.6倍。在太陽(yáng)光模擬器下的結(jié)果表明，當(dāng)車輛外部溫度達(dá)到70℃時(shí)，Ⅰ型LBL結(jié)構(gòu)的最高溫差為42℃，是無(wú)任何保溫結(jié)構(gòu)的1.4倍，且長(zhǎng)時(shí)間維持車內(nèi)溫度低于28℃，使車內(nèi)環(huán)境中更加舒適。
圖3 在炎熱條件下的隔熱測(cè)試
為了更清楚地了解LBL結(jié)構(gòu)的溫度變化過程，該研究進(jìn)行了COMSOL模擬（圖4），從結(jié)果可以清楚地看到，在炎熱環(huán)境中，Ⅰ型LBL結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到平衡的時(shí)間(約500s)明顯比Ⅱ型(150s)長(zhǎng)，約3.3倍。而在嚴(yán)寒環(huán)境下，Ⅰ型和Ⅱ型LBL達(dá)到平衡的時(shí)間分別為450s和200s?？梢钥闯瞿M得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。
圖4 COMSOL模擬結(jié)果
相關(guān)研究工作為氣凝膠的制備，極端環(huán)境下的人體熱管理策略，以及日常節(jié)能減排提供了一種重要的參考途徑，并以“Superhydrophobic Silica Aerogels and Their Layer-by-Layer Structure for Thermal Management in Harsh Cold and Hot Environments”為題發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)期刊《ACS Nano》上，同時(shí)申請(qǐng)了發(fā)明專利2項(xiàng)。論文第一作者為蘇州納米所輕量化實(shí)驗(yàn)室碩士生劉玲，通訊作者為中科院蘇州納米所輕量化實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目研究員王錦。該論文獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFA0203301），國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目（91963124）和面上項(xiàng)目（51773225），以及蘇州市科技局項(xiàng)目（SJC2021008）資助。
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