华南理工大学刘德桃/华中科技大学胡润ACS Nano：新型木质纤维素温控材料问世
2025-09-25
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在全球建筑与施工行业占据约34%的能源需求并贡献37%的二氧化碳排放的背景下，传统保温材料如泡沫混凝土、聚合物泡沫等虽然广泛应用，却存在制造能耗高、碳排放大、无法主动调节热量等局限。相变材料（PCMs）虽能储热释热，但有机PCM易燃烧、体积变化大，无机PCM则易泄漏、腐蚀结构，严重限制了其在建筑温控中的应用。多年来，研究者一直未能实现耐火性、节能性与生物降解性之间的平衡，成为绿色建筑技术发展的一大瓶颈。
近日，华南理工大学刘德桃副研究员、华中科技大学胡润教授提出了一种高性能生物基温控材料，通过分子工程手段将无机相变材料层级封装于纳米结构木质纤维素泡沫中，成功研制出具有高强度（约20.3 MPa）、高环境耐久性、优异温控能力（温差＞24°C）和耐火性能（耐受1300°C高温）的木质纤维素温控材料。该材料还具备完全生物降解性，废弃后可转化为磷肥，适用于多种生物质资源如木材、竹材、稻秆和玉米秆，具有显著的经济和环保效益。相关论文以“ Hierarchical-Morphology Lignocellulosic Thermostat for High-Efficiency Thermal Management ”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为 Duan Yulong， Chen Zihe和Ji Wenhao。
研究团队利用林业与农业废弃物（如木屑、竹粉、稻秆等）为原料，通过DMAc/LiCl溶剂完全溶解纤维素，形成高粘度粘结剂，使木质纤维素颗粒通过再生纳米纤维素网络重建氢键系统，自粘结形成从纳米级到米级的泡沫结构（图1a）。在此基础上，通过真空浸渍方式将无机磷基相变材料（如Na₂CO₃·10H₂O–Na₂HPO₄·12H₂O共晶体系）封装于泡沫中，形成温控复合材料（图1b）。该材料抗压强度远超商用泡沫、金属泡沫和天然轻木（图1c），并展现出显著的昼夜双模式温控能力（图1d）。在实际户外测试中，该材料表现出良好的吸热与保温性能（图1e），在模拟干燥环境中优于瓷砖和聚苯乙烯泡沫（图1f,g）。
图1. 木质纤维素温控器的结构与性能 (a) 制备高性能可生物降解木质纤维素泡沫的自粘结策略示意图。左图为具有分级结构的低值农林粉末（木材、竹、玉米秆、稻秆）；中图为纤维素在DMAc/LiCl中的完全溶解；右图为通过分子尺度纤维素链重建氢键系统实现颗粒自粘结；底部为从纳米至米尺度的材料尺寸示意。 (b) 工程化制备含无机相变材料（PCM）的泡沫示意图：左为PCM，右为通过再生纤维素纳米纤维在网络中封装PCM。 (c) 1.0 cm厚木质纤维素温控器与商用有机塑料泡沫、金属泡沫、无机泡沫及轻木的抗压强度对比。 (d) （上图）木材源温控器（红线）与木质纤维素泡沫（深绿线）的温差对比；灰色背景为红外辐射阶段；（下图）温控器与泡沫上下表面温差。 (e) 集成温控板实物图（左），一半为底部嵌有商用冷却铝板（60×120 cm），另一半为16块木质纤维素温控器（13×13×1 cm）；右图为日光下（广州，2024年2月2日）的红外热成像。 (f) 昼夜建筑热管理中木质纤维素温控器与其他典型建材的对比示意图。 (g) 模拟干燥条件下，温控器小屋、瓷砖小屋和聚苯乙烯泡沫小屋内温度实时监测结果。
图2进一步展示了多种生物质（木材、竹材、玉米秆等）制备的泡沫及其力学性能。通过再生纤维素策略，不同原料均可形成结构均匀、自粘结的泡沫材料，其比模量与比强度表现优异（图2b），尤其是桉木粉末制备的泡沫机械性能最佳。扫描电镜图像显示再生纳米纤维素纤维（直径约15–50 nm）在颗粒间形成强氢键连接（图2c）。泡沫表现出明显的各向异性，轴向抗压强度远高于径向（图2e,f），其破坏机制与氢键网络的断裂密切相关（图2g）。此外，该泡沫在酸碱侵蚀和水热条件下仍保持较好的环境耐久性与可回收性（图2h）。
图2. 再生纤维素策略制备木质纤维素泡沫 (a) 木材、竹材和玉米秆源木质纤维素泡沫实物图。 (b) 不同原料（60目筛分）所制泡沫的比模量与比强度。 (c) 扫描电镜图像显示通过再生纳米纤维素实现颗粒间自粘结的结构（左、中图），右图为放大后的纳米纤维。 (d) 木粉筛网目数对抗压强度的影响。 (e) 木材泡沫在轴向与径向压缩下的应力对比（左图为方向示意）。 (f) 两种压缩方向下机械破坏示意图。 (g) 自粘结粉末机械分离的破坏机制：左为SEM显示的破坏区域，右为再生纳米纤维与颗粒间氢键系统的断裂。 (h) 木材泡沫在不同酸碱侵蚀与水热处理条件下的杨氏模量变化，以评估环境耐久性。
图3展示了相变材料在泡沫中的均匀封装过程。PCM溶液在低温下结晶后完全填充泡沫孔隙（图3a,d），经EDS分析证实P、Na、C元素分布均匀（图3e）。DSC与XRD分析显示，PCMs在复合材料中保持晶体结构稳定，相变焓值高（熔化焓55.75 J/g，结晶焓54.84 J/g），且具备较低过冷度（约5.5°C），显著提升了材料的温控能力（图3f-i）。DMA和TGA分析进一步表明，材料在相变过程中模量变化可控，导热系数提升至0.40 W/(m·K)，同时保持良好的热稳定性（图3j,k）。
图3. PCM在木质纤维素泡沫中的密封封装 (a) 左：所制备PCM溶液的低流动性（类似清水）；右：60°C下真空辅助浸渍泡沫，完成PCM填充，经15°C低温结晶得温控器。 (b) 木材源温控器（左上）与泡沫（左下）的机械切割性能展示。 (c) PCM在纳米结构木质纤维素泡沫中的封装机制示意图。 (d) SEM图像显示PCM完全填充泡沫基质（左），右上方和右下方分别为轴向与径向截面的填充情况。 (e) EDS能谱显示P、Na、C元素的均匀分布，表明SCD与DHPD的混合。 (f) 空白腔体、纯DHPD及不同比例DPHD-SCD混合物的放热曲线对比。 (g) 木材泡沫与温控器的放热对比，插入红外热成像显示其吸热能力。 (h) 木材泡沫、温控器及PCM的XRD图谱，用于晶体结构识别。 (i) 温控器与PCM在熔融与凝固阶段的DSC焓值对比。 (j) DMA曲线显示温控器与木材泡沫的储能模量与损耗因子。 (k) DTG测试显示温控器与木材泡沫的热重损失对比；插入图为两者热导率（TC）。
图4展示了该材料的实际应用前景：在1300°C火焰喷射下持续21秒不燃穿（图4a），展现出优异的耐火性能；回收后的泡沫与温控材料仍保持较高的机械强度和温控能力（图4b,c）；综合性能在防火、强度、温控、安全性、可加工性、可降解肥效和环境可持续性方面均优于商用泡沫、泡沫混凝土和金属泡沫（图4d）。模拟全年能耗分析显示，该材料在全球多个城市均可实现显著节能，尤其在伦敦节能达21.1%（图4f）。
图4. 温控器的实际应用与节能前景 (a) 耐火测试：丁烷喷枪1300°C下持续燃烧温控器8秒（左二）和21秒（左三），显示良好阻燃性（右图未烧穿）。 (b) 回收木材温控器与泡沫的抗压强度对比。 (c) 回收材料的热管理性能对比。 (d) 温控器与商用塑料泡沫、泡沫混凝土和金属泡沫的性能雷达图对比，包括耐火性、抗压强度、热调节、安全性、可批量性、可降解肥效和环境可持续性。 (e) 建筑中应用温控板进行热调节的示意图。 (f) 全球典型城市年能耗与节能数据计算。
综上所述，该研究通过一种简单、可重复的策略，成功开发出具有高强度、优良温控、耐火和可生物降解的木质纤维素温控材料，不仅为建筑节能提供了创新解决方案，还可通过闭环循环实现废弃材料的肥料化利用，具有推动低碳、环保、健康生活的潜力。
