二氧化硅气凝胶及基于纤维的隔热材料的制备与隔热性能研究

《ACS Omega》：Study on Preparation and Thermal Insulation Properties of Silica Aerogel and Fiber-Based Thermal Insulation Materials

热绝缘材料开发基于玉米秸秆纤维与二氧化硅气凝胶的协同效应，通过单因素与响应面法优化配比，显著降低热导率至0.205 W·m?1·K?1，实现75°C下8.7°C的温差抑制，提升深矿作业环境。

　　
地下矿井高温环境下的热绝缘材料优化研究

随着我国煤矿开采向深部化发展，高温热害已成为制约井下作业安全的关键因素。传统机械降温系统存在能耗高、维护复杂等缺陷，开发新型热绝缘材料成为重要突破口。本研究创新性地采用玉米秸秆纤维素与纳米级孔隙硅气凝胶的复合体系，通过多因素协同优化制备出高性能绿色热绝缘材料，其核心创新点体现在以下三个层面：

在材料体系构建方面，研究突破性地实现了无机与有机材料的有机融合。硅气凝胶独特的纳米级三维孔结构（孔隙直径2-50nm）可形成静态空气屏障，其热导率仅为0.013-0.026W·m?1·K?1，达到传统岩棉的1/5。玉米秸秆纤维素经NaOH预处理后，表面羟基含量提升30%以上，与气凝胶形成氢键网络，这种"纤维支撑气凝胶骨架"的结构组合显著优于单一材料体系。实验数据显示，复合材料的孔隙率可达82%-95%，较传统水泥基材料提升40%以上，这种高孔隙率结构在降低材料密度的同时，能有效阻断气体分子的对流热传递。

工艺参数优化方面，采用响应面法系统揭示了三大关键参数的协同作用机制。研究建立的多因素交互模型显示：气凝胶含量（15%-25%）对材料热导率具有决定性影响，其含量每增加1%，热导率下降约0.02W·m?1·K?1。但超过临界值（15%）后，气凝胶颗粒的团聚效应导致孔隙结构破坏，反而使热导率回升。纤维参数方面，1.5%-2.5%的秸秆掺量可平衡热阻提升与力学强度损失，而纤维长度在10-15mm区间时，其取向应力传导效率达到最优，可使热流路径弯曲度增加300%以上。这种参数协同效应在响应面三维模型中表现为显著的非线性交互关系，特别是气凝胶与纤维的界面相互作用对材料性能具有乘数效应。

性能调控机制方面，研究揭示了多尺度热阻传递机理。微观结构分析显示，复合体系形成了"纤维支撑气凝胶骨架"的协同结构：纤维素纤维（长度11.3±1.2mm）定向排列形成力学增强网络，其自身热导率（0.05-0.1W·m?1·K?1）较传统水泥基体降低80%；而气凝胶纳米骨架（孔隙率≥92%）通过分子级孔隙（平均直径12nm）将空气分子运动限制在局部区域，其有效热阻系数达到传统气凝胶的1.5倍。这种多尺度协同机制使复合材料的综合热阻提升至0.205W·m?1·K?1，较单一气凝胶体系提升40%，同时抗压强度达到4.32MPa，满足工程安全要求。

工程应用验证表明，该材料在75°C持续加热工况下，可使隧道空气温度降低8.7°C，较传统岩棉材料（温差5.2°C）提升67%。热成像分析显示，材料内部形成稳定的热缓冲层，表面温度梯度从传统材料的2.3K/m降至0.65K/m，热穿透深度减少58%。长期耐久性测试表明，该材料在湿度变化0-100%范围内热导率波动幅度小于8%，显著优于其他生物质复合材料。经济性评估显示，秸秆纤维替代率可达35%，材料成本降低42%，同时减少CO?排放量达28kg/m3。

该研究对深井热环境治理具有三重突破意义：其一，建立秸秆纤维与气凝胶的协同设计范式，攻克了生物质材料热稳定性差的技术瓶颈；其二，开发出基于响应面法的多参数优化体系，使材料性能预测准确度提升至92%；其三，形成可推广的绿色制备工艺，在山东某金矿应用中，成功将巷道温度从82°C降至74°C，年节能成本达120万元。未来研究可进一步探索纤维预处理工艺对界面结合能的影响，以及复合材料的抗渗性优化路径。

该成果为深井热害治理提供了创新解决方案，其核心价值在于通过材料体系创新突破传统热绝缘材料的性能极限。研究建立的"预处理-复合-优化"技术路线，不仅实现了秸秆资源的高值化利用（秸秆利用率达100%），更开创了纳米材料与生物质复合的工程应用新范式，对推动矿山环境治理技术进步具有重要实践价值。