jiang tu、tao mao、suhui xie、hang xiao和peng wang等研究者于2025年5月1日在《carbohydrate polymers》期刊第355卷发表了题为“dual chemical crosslinking strategy to fabricate lightweight, flame-retardant, high-modulus and hydrophobic cellulose cryogel”的研究论文。该研究聚焦于纤维素气凝胶（cellulose cryogel）的改性，旨在解决其在热绝缘领域应用中的高易燃性和亲水性瓶颈问题。

学术背景

纤维素气凝胶因其环保性、轻质、高孔隙率和高效的热绝缘性能，在热绝缘材料领域具有广泛的应用潜力。然而，高易燃性和亲水性限制了其在实际中的应用。为解决这一问题，研究者提出了一种双重化学交联策略，通过引入含磷酸铵基团的直链淀粉衍生物（amylose derivative with ammonium phosphate groups, AM）和甲基三甲氧基硅烷（methyltrimethoxysilane, MTMS），制备出轻质、阻燃、高模量和疏水的纤维素气凝胶。这一研究不仅为合成高阻燃活性的多糖衍生物提供了新的思路，还为解决纤维素气凝胶的易燃性、亲水性和机械强度不足的问题提供了创新性方案。

研究流程

研究流程主要包括以下几个步骤：
1. AM的合成：将尿素加热至140°C熔融，加入直链淀粉和磷酸，在150°C下反应3小时，得到粗产物。通过透析去除小分子，调节pH至7，最终得到淡黄色的AM。
2. 气凝胶的制备：将纤维素纳米纤维（cellulose nanofiber, CNF）悬浮液与AM和二氰二胺（dicyandiamide）混合均匀，倒入模具中冷冻干燥，随后在180°C下烘烤5分钟，得到复合气凝胶（AMx）。
3. 疏水改性：使用MTMS通过化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD）技术对AM30进行疏水改性，得到AM30si。
4. 性能表征：对气凝胶的密度、孔隙率、机械性能、热导率、疏水性和阻燃性能进行详细测试，并进行结构表征和热分解挥发物分析。

主要结果

1. AM的表征：AM具有高磷、氮含量（分别为19.15%和8.75%），且在水中具有高溶解性。其结构通过FTIR、NMR和GPC-MALLS等手段得到确认。
   
2. 气凝胶的结构与性能：复合气凝胶AM30si的密度为25.21 mg/cm³，孔隙率为98.59%。其压缩模量达到1.186 MPa，比纯纤维素气凝胶（CF）高出近3.5倍。AM30si的比模量为47.0 MPa/(g/cm³)，能够承受自身重量的12500倍。
   
3. 热绝缘性能：AM30si的热导率仅为28.7 mW/(m·K)，显著低于传统石油基泡沫材料。通过红外热成像实验，AM30si在100°C和200°C加热条件下表现出优异的热绝缘性能。
   
4. 疏水性能：AM30si的水接触角（water contact angle, WCA）达到138.4°，表现出良好的疏水性，能够在水中稳定漂浮15天，并具有连续的油水分离能力。
   
5. 阻燃性能：AM30si在UL-94测试中达到V-0级，极限氧指数（limiting oxygen index, LOI）为39.2%。其热释放速率（heat release rate, HRR）和总热释放量（total heat release, THR）显著降低，表现出优异的阻燃性能。

结论

该研究通过双重化学交联策略成功制备了轻质、阻燃、高模量和疏水的纤维素气凝胶AM30si。AM30si在机械性能、热绝缘性能、疏水性和阻燃性能方面均表现出色，具有替代传统石油基泡沫材料的潜力。研究不仅为高性能纤维素气凝胶的制备提供了新方法，还为多糖衍生物在阻燃材料中的应用提供了重要参考。

研究亮点

1. 创新的双重化学交联策略：通过AM和MTMS的双重交联，显著提升了纤维素气凝胶的机械性能和阻燃性能。
   
2. 高性能复合气凝胶：AM30si具有低密度、高比模量、低热导率和高疏水性，综合性能优异。
   
3. 多功能应用潜力：AM30si在热绝缘、油水分离和阻燃领域展现出广泛的应用前景。
   
4. 详细的机理研究：通过TG-FTIR和残余炭结构分析，阐明了AM30si的阻燃机理，即气相稀释和凝聚相屏障效应的协同作用。

其他有价值内容

研究中使用的CVD技术和自制的AM为纤维素气凝胶的改性提供了新的技术路径，相关方法和材料可推广应用于其他多糖基材料的性能提升。此外，研究中对气凝胶的多功能性能测试和机理分析为类似材料的研究提供了全面的参考框架。