苏州纳米所在极端环境下的热管理与低能耗气凝胶制备方面取得进展

人体热管理材料在改善人体热舒适和降低能耗方面具有巨大的潜在应用价值，近年来受到广泛关注。如何实现一种材料或结构能同时实现高温下保持凉爽、低温下保持温暖依然是本领域的主要挑战之一，特别是在极端寒冷和极端炎热环境下。为此，中科院苏州纳米所王锦等人设计合成了一类相变气凝胶，即自身具有气凝胶的多孔结构和性能，其骨架由固-固相转变材料构成，从而实现兼具气凝胶的绝热保温和相变材料的自主温度调控的优异性能，相关成果发表在Soft Matter 2020,16,5906和高分子学报（2022，10.11777/j.issn1000-3304.2021.21187）上。

最近，中科院苏州纳米所王锦等人开发了一种以水玻璃为硅源的氧化硅气凝胶低能耗制备技术（图1a），并设计了一种简单的气凝胶-相变材料的layer-by-layer(LBL)双层结构(图1c-e)，通过气凝胶与相变材料的合作共赢、协同发挥各自优势，实现了严寒(-30℃)和炎热(70℃)环境下的长续航保温和隔热：在极端严寒(-30℃)下，该LBL结构维持20℃以上的时间比单纯采用气凝胶时延长480%；在极端炎热环境(70℃)中，该LBL结构维持31℃以下的时间比单纯采用气凝胶时延长了1360%。特别是模拟太阳光直射曝晒时，该LBL结构能够长时间维持模型小汽车内的温度低于28℃。

图1 超疏水氧化硅气凝胶的制备示意图、与传统方法相比的试剂使用量对比、以及LBL结构示意图

如图1所示，以硅酸钠为原料，采用疏水化改性-溶剂置换-钠离子去除-常压干燥同步进行的策略，实现了超疏水氧化硅气凝胶的一锅水煮法制备。此过程避免了离子交换树脂的使用，也避免了水洗过程和乙醇置换过程，将上述试剂的使用量降低为零，因此该技术能源消耗极低（图1b）。所制备的气凝胶比表面积最高达635m²/g、接触角达153°，热导率低至0.049 W/m·K。

目前有很多研究选择将相变材料封装在气凝胶中，解决相变材料的泄漏和低负载率问题，然而这种相互兼并的策略使得气凝胶失去其独特的结构和低热导率。因此本工作设计了如图2a所示的两种LBL结构，将具有低热导率的氧化硅气凝胶与具有高相变焓的相变微胶囊结合，得到一种在极寒（-30℃）和炎热（70℃）条件下的热管理结构。如图2所示，采用气凝胶作为保温层时，温度在94 s时开始低于20 ℃。Ⅰ型和Ⅱ型LBL的温度开始降到20℃以下的时间分别为450s和252s。与气凝胶层相比，Ⅰ型LBL结构延迟了4.8倍，且达到热平衡时，LBL的温度比气凝胶的温度高达10℃以上，而最高温差达到25℃以上。 

图2 在极寒条件下的保温测试

夏季在太阳光的照射下，没有任何遮挡的车辆车内温度很容易达到高温。因此本工作先后研究了这两种结构直接加热以及在太阳光模拟器照射下车辆模型的隔热效果（图3）。研究发现，在70℃的高温环境下，Ⅰ型的LBL结构保持舒适温度(<31℃)的能力是Ⅱ型结构和单一气凝胶层的2.6倍和13.6倍。在太阳光模拟器下的结果表明，当车辆外部温度达到70℃时，Ⅰ型LBL结构的最高温差为42℃，是无任何保温结构的1.4倍，且长时间维持车内温度低于28℃，使车内环境中更加舒适。

 图3 在炎热条件下的隔热测试

为了更清楚地了解LBL结构的温度变化过程，该研究进行了COMSOL模拟（图4），从结果可以清楚地看到，在炎热环境中，Ⅰ型LBL结构温度达到平衡的时间(约500s)明显比Ⅱ型(150s)长，约3.3倍。而在严寒环境下，Ⅰ型和Ⅱ型LBL达到平衡的时间分别为450s和200s。可以看出模拟得到的结果与实验结果吻合度较好。

图4 COMSOL模拟结果

相关研究工作为气凝胶的制备，极端环境下的人体热管理策略，以及日常节能减排提供了一种重要的参考途径，并以“Superhydrophobic Silica Aerogels and Their Layer-by-Layer Structure for Thermal Management in Harsh Cold and Hot Environments”为题发表在美国化学会期刊《ACS Nano》上，同时申请了发明专利2项。论文第一作者为苏州纳米所轻量化实验室硕士生刘玲，通讯作者为中科院苏州纳米所轻量化实验室项目研究员王锦。该论文获得了国家重点研发计划项目（2016YFA0203301），国家自然科学基金重大研究计划培育项目（91963124）和面上项目（51773225），以及苏州市科技局项目（SJC2021008）资助。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07184