仿生木材结构全天然纤维素纳米纤维复合气凝胶：卓越隔热与阻燃性能的绿色突破

针对传统气凝胶环境友好性不足、力学性能差等问题，研究人员通过竹纤维素纳米纤维(CNF)、海藻酸钠(SA)和钠基蒙脱土(Na-MMT)的物理交联与定向冷冻技术，开发出具有仿生木材通道结构的全天然气凝胶。该材料展现出超低热导率(21.1?mW/(m·K))、优异阻燃性(极限氧指数90%)和机械强度(弹性模量261.1?kPa)，为绿色建筑材料提供了可持续解决方案。

　　

在追求碳中和的时代背景下，建筑行业对兼具高效隔热与防火安全的绿色材料需求迫切。传统无机气凝胶如二氧化硅虽导热系数低至12-15?mW/(m·K)，却存在脆性高、不可降解等问题；而聚合物基材料又往往牺牲了环境友好性。更棘手的是，现有纳米纤维素气凝胶多为无序多孔结构，难以实现木材般定向导热的优化性能。如何通过仿生设计开发全天然、高性能的隔热阻燃材料，成为突破行业瓶颈的关键。

来自云南的研究团队受木材独特孔道结构的启发，以三年生竹材为原料，通过酸性亚氯酸钠表面纳米化处理暴露纤维素纳米纤维(CNF)，结合海藻酸钠(SA)交联和钠基蒙脱土(Na-MMT)改性，采用定向冷冻-冻干技术制备出仿生木材结构的全天然复合气凝胶(BCSM)。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为解决传统材料不可持续、性能单一等问题提供了创新方案。

研究团队运用三项核心技术：1) 竹粉表面纳米结晶化处理，通过亚氯酸钠选择性去除木质素暴露CNF；2) SA与Na-MMT的氢键网络构建及Ca²⁺
离子交联强化；3) 定向冷冻形成仿木材的垂直孔道结构。实验采用锥形量热仪、氧指数测试仪等表征材料性能。

材料与方法
研究选用浙江杭州竹材，经纳米化处理后与SA、Na-MMT共混形成前驱体溶液。通过单向冷冻使冰晶定向生长，冻干后获得具有径向排列孔道的基体，再经CaCl₂
溶液浸渍实现离子交联。

结果与讨论

1. 结构表征：SEM显示气凝胶具有类似木材的定向大孔/微孔分级结构，孔隙率超90%。XRD证实Na-MMT层状结构均匀分散于CNF网络。
2. 热学性能：径向热导率低至21.1?mW/(m·K)，优于多数生物基气凝胶（如竹纤维-明胶体系的57?mW/(m·K)），归因于孔道对气相传热的抑制。
3. 阻燃性能：极限氧指数(LOI)达90%，峰值热释放速率(pHRR)仅19.34?kW/m²
   ，总烟产量(TSP)0.122?m²
   。Na-MMT的物理屏障作用与Ca²⁺
   催化炭化协同提升阻燃性。
4. 力学性能：80%压缩应变下抗压强度208.5?kPa，弹性模量261.1?kPa，显著高于各向同性纤维素气凝胶，源于定向结构的应力分散效应。

结论
该研究开创性地将木材结构仿生理念应用于全天然气凝胶设计，通过CNF-SA-Na-MMT-CaCl₂
体系的多级交联，实现了材料隔热、阻燃与力学性能的协同优化。其环境友好特性（28天自然降解率超70%）更突破了传统隔热材料的环境负担，为建筑节能与火灾防护提供了符合双碳战略的解决方案。未来通过工艺放大与成本控制，这类仿生气凝胶有望在被动式建筑、新能源电池隔热等领域实现产业化应用。