编辑推荐：
为解决传统绝热材料环境足迹大的问题，研究人员探究羧甲基化木质素（CM）复合壳聚糖（CH）气凝胶的性能。结果显示，低电荷密度 CM1 制备的气凝胶热导率 0.035 W/mk，抗压强度 3.87 MPa，生物可降解，为绿色绝热材料提供新策略。
在全球能源危机与环保需求日益迫切的当下，建筑供暖能耗浪费已成为亟待解决的环境挑战。传统的商业隔热材料如聚氨酯、聚苯乙烯等 polymeric 泡沫，虽能满足低导热系数（0.020–0.040 W/m?K）的要求，却因源自石化原料，存在生态环保与可回收性的隐患。而无机气凝胶虽具备一定隔热性能，却因生物降解性差、环境足迹大难以推广。
生物聚合物衍生的气凝胶被视为更环保的替代方案，其中壳聚糖（CH）作为可再生、无毒的生物聚合物备受关注，但纯壳聚糖气凝胶存在表面积适中（约 50–100 m2/g）、机械强度低（<0.01 MPa）、导热系数偏高（>0.045 W/m?K）等问题。木质素作为第二丰富的生物质资源，虽有潜在交联能力，却因不溶于水难以与壳聚糖复合。为此，研究人员将目光投向羧甲基化木质素（CM），期望通过其改性解决相容性问题，制备高性能绿色隔热材料。
来自国外研究机构的团队开展了羧甲基化木质素复合壳聚糖气凝胶的研究，相关成果发表于《Industrial Crops and Products》。研究发现，通过调控羧甲基化木质素的电荷密度，可制备出兼具优异隔热性能、机械强度和生物降解性的气凝胶，其中低电荷密度的 CM1 复合气凝胶表现最佳，为可持续隔热材料的发展提供了重要参考。
研究采用的主要关键技术方法包括：通过羧甲基化反应制备不同电荷密度（1、1.5、2 mmol/g）的木质素衍生物（CM1、CM2、CM3）；将其与壳聚糖复合，经凝胶化、冷冻干燥制备气凝胶；利用核磁共振（NMR）、X 射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征化学结构与交联情况；通过氮气吸附法、扫描电子显微镜（SEM）分析结构特性；借助万能试验机、热导率仪等评估机械与热学性能；依据 ISO 14851:2019 标准测试生物降解性。
3.1 羧甲基化效果
羧甲基化能为木质素引入大量羧基，增强其反应活性与与壳聚糖的相容性。通过调控木质素与氯乙酸钠（SC）的摩尔比、反应时间和温度，成功制备出不同电荷密度的 CM，其中 CM1、CM2、CM3 的电荷密度分别为 1、1.5、2 mmol/g，且 31P NMR 证实了其化学结构的改变。
3.2 化学与结构特征
- 化学结构：XRD 显示，CM 的加入降低了壳聚糖的结晶度，形成更致密的互穿聚合物网络；FTIR 和 XPS 证实了 CM 与 CH 间通过酰胺缩合反应形成 O=C–N 键，且随 CM 电荷密度增加，该键强度增强。
- 结构分析：BET 和 SEM 表明，AKL（木质素 - 壳聚糖气凝胶）比纯壳聚糖气凝胶（ACH）表面积更大（266 m2/g），而随 CM 电荷密度增加，气凝胶表面积从 211.2 m2/g（ACM1）降至 152.5 m2/g（ACM3），孔隙率降低，结构更致密。
- 水相互作用：ACM3 因高电荷密度和亲水性，吸水能力最强（10.7 g/g），而 ACM1 吸水较少（6.2 g/g），接触角显示 CM 的加入增强了气凝胶的亲水性。
3.3 机械性能
ACM1 的抗压强度（0.28 MPa）和杨氏模量（3.87 MPa）最高，优于 ACH 和 AKL；随 CM 电荷密度增加，气凝胶硬度和弹性提高（ACM3 弹性达 0.595 MPa），但抗压强度下降，这与高电荷密度导致的孔隙塌陷有关。
3.4 热学性能
ACM1 的热导率最低（0.035 W/mK），优于 ACH（0.043 W/mK）和 AKL（0.041 W/mK），与商用隔热材料相当；热重分析显示，CM 的加入对热稳定性影响较小，且 ACM1 的隔热效果经红外热成像验证最佳。
3.5 生物降解性
所有 CM 复合气凝胶的生物降解性（21–26%）优于 AKL（19%）和纯壳聚糖，其中 ACM3 因高电荷密度和亲水性，降解率最高，证实了材料的可持续性。
3.6 CM1 用量影响
2 wt% CM1 制备的 ACM1 性能最佳，当浓度增至 3.2 wt% 时，杨氏模量降至 2.02 MPa，热导率上升，表明过量 CM1 会破坏网络结构。
该研究证实，羧甲基化木质素 - 壳聚糖气凝胶是极具潜力的可持续隔热材料。通过优化 CM 的电荷密度（1 mmol/g）和用量（2 wt%），可制备出热导率低（0.035 W/mK）、抗压强度高（3.87 MPa）且生物可降解的气凝胶，其性能优于传统生物质气凝胶，与商用材料相当。
研究的创新之处在于利用羧甲基化解决了木质素与壳聚糖的相容性问题，通过调控电荷密度实现了材料结构与性能的优化，且全程采用水基工艺，避免有毒溶剂，符合绿色化学理念。这为建筑等领域提供了环境友好的隔热材料新选择，同时为生物质资源的高值化利用开辟了新路径。未来可通过表面处理提升材料耐水性，进一步拓展其应用场景。
