绿色聚乙烯醇/纳米二氧化硅复合气凝胶的微纳结构构建及其卓越力学性能、隔热与防火安全性研究

针对传统隔热材料难以兼顾绿色可持续性与防火安全性的问题，研究人员通过生物基聚乙烯醇(PVA)与纳米硅溶胶(NSiCP)构建了具有微纳分级三维网络的复合气凝胶。该材料密度仅0.081 g·cm-3，孔隙率达94.97%，导热系数37.6 mW·m-1·K-1，80%应变下抗压强度达3.98 MPa，并通过UL-94 V-0认证(LOI 26.5%)，为高性能环保隔热材料开发提供了新思路。

　　

随着"双碳"目标的推进，传统聚氨酯泡沫等隔热材料因不可降解、易燃等缺陷日益凸显环境与安全隐患。尽管聚乙烯醇(PVA)气凝胶具有生物可降解、制备工艺环保等优势，但其易燃性严重制约实际应用。现有阻燃改性方案往往面临填料分散性差、机械性能下降等问题，如何构建兼具优异力学性能、隔热性和防火安全性的绿色材料成为研究难点。

万纬生物质技术有限公司等机构的研究人员创新性地采用生物基PVA与纳米硅溶胶(ZA-30)为原料，通过物理混合-预冷冻-冻干工艺制备出具有独特微纳结构的复合气凝胶。该研究系统揭示了材料结构与性能的构效关系，成果发表于《Polymer Degradation and Stability》。关键技术包括：采用冰箱预冷冻控制冰晶生长速率构建分级孔结构；通过SEM表征微米级(6.0-48.0 μm)与纳米级(平均22.79 nm)双尺度孔隙；热导率测试显示37.6 mW·m^-1·K^-1的优异隔热性；垂直燃烧测试(UL-94)和极限氧指数(LOI)评价防火性能。

【微结构分析】
SEM显示复合气凝胶呈现独特的三维网络结构，微米级大孔(6.0-48.0 μm)内分布大量纳米孔，总孔体积达0.66 cm³·g^-1。PVA与NSiCP通过氢键和化学键形成稳定结构，相比纯PVA气凝胶，其局部连通性显著增强。

【性能表征】
材料密度低至0.081 g·cm^-3，孔隙率94.97%，80%应变下抗压强度达3.98 MPa，比模量27.41 MPa·cm³·g^-1。阻燃测试显示LOI值26.5%，达到UL-94 V-0等级，且热释放、烟雾及有毒气体生成量显著低于纯PVA气凝胶。

【结论与意义】
该研究通过简单环保的工艺构建了微纳分级结构气凝胶，解决了阻燃填料分散性与机械性能的平衡难题。材料兼具超低导热系数(37.6 mW·m^-1·K^-1)、高比模量(27.41 MPa·cm³·g^-1)和UL-94 V-0级阻燃性能，为开发符合"双碳"目标的新型绿色隔热材料提供了重要参考。研究证实纳米硅溶胶作为经济无毒的阻燃填料，其表面丰富硅羟基(-Si-OH)可有效提升与PVA基体的相容性，这一策略可拓展至其他生物基材料的阻燃改性研究。