用于节能建筑的BNNS/PVA复合气凝胶：保温、绝热、红外隐身

1. 采用溶剂辅助单向冷冻法制备了具有晶须状结构的高度取向多孔BNNS/PVA复合气凝胶。

2. 制备的复合气凝胶具有优异的隔热和太阳光反射能力，热导率为23.5 mW m⁻¹ K⁻¹，低于空气热导率，同时，其太阳光反射率达到93.8%。

3. 高太阳光反射率超绝热复合气凝胶不仅具有红外隐身和保温功能，而且在节能建筑中也展现出巨大的应用潜力。

首先，采用尿素辅助的球磨法制备了带氨基的少层BNNS，其能很好地分散于PVA水溶液中；然后，通过丙酮辅助的冰模板技术制备了具有高度取向多孔结构的BNNS/PVA复合气凝胶。加入丙酮和BNNS对复合气凝胶结构进行优化(如图1)。纯PVA气凝胶在冷冻方向上具有排列整齐的多孔通道结构，且在横向上连接互通。加入少量低冰点温度的丙酮后，冷冻速率降低，孔壁厚度增加；加入BNNS后，诱导形成了长而中空的通道结构，相邻取向排列的孔壁被密集的晶须状结构所隔断。这些微观结构的差异对最终复合材料的性能产生了重大影响。

气凝胶的热导率与其孔隙率密切相关，但通过冷冻干燥技术制备的气凝胶容易发生体积收缩，因此我们首先研究了溶剂和BNNS的加入对所得复合气凝胶孔隙率的影响(如图2)。引入丙酮和BNNS，气凝胶的收缩明显减缓；加入5 vol%丙酮后，由于孔壁厚度增加，PVA气凝胶的收缩率从70%降至60%；单独添加20 wt% BNNS后，其收缩率降低至54%。因此，在丙酮和BNNS的共同作用下，BNNS/PVA复合气凝胶的收缩率降低至46%。相应地，BNNS/PVA复合气凝胶的密度随着丙酮和BNNS含量的增加而迅速降低，比纯PVA气凝胶相比降低了32%；同时，其孔隙率也从95.6%提高到了97.4%。

通过添加丙酮和BNNS来降低气凝胶密度，进而降低其热导率，但密度降低通常会导致机械性能恶化。然而，在此工作中BNNS/PVA气凝胶的性能改变恰恰相反，即使在较低的密度条件下，其机械性能也显著提高，且能够承受超过其自身重量1900倍的压力。BNNS/PVA复合气凝胶的力学性能表现出各向异性，取向方向的模量远高于横向方向。与纯PVA气凝胶相比，尽管密度降低了32%，BNNS/PVA复合气凝胶的轴向压缩模量和横向压缩模量分别提高了210%和280%。力学性能的提高主要由于丙酮诱导孔壁增厚和BNNS的增强效应。经过进一步计算发现，复合气凝胶的比压缩模量(压缩模量与表观密度之比)在轴向和横向上比纯PVA气凝胶高出4.5倍。

同样，高度取向结构使BNNS/PVA复合气凝胶具有显著的各向异性隔热性能，横向热导率显著低于冻结方向(轴向)热导率(如图3)。因此，在隔热应用时选择与多孔通道横向的方向，在本文的讨论中也将重点放在气凝胶横向的传热上。在丙酮和BNNS的共同作用下，复合气凝胶的横向隔热性能得到了协同增强，表现出了23.5 mW m⁻¹ K⁻¹ 的超低热导率，甚至比空气的热导率还低。超绝热性能的实现主要归因于高度取向结构、高孔隙率、孔壁上介孔结构、BNNS和PVA之间界面热阻等因素的协同效应。使用热红外成像仪，对复合气凝胶和商用聚苯乙烯泡沫(EPS)的隔热性能进行对比。结果发现，无论使用接触热源还是非接触热源，复合气凝胶都表现出更优异的隔热性能。

IV BNNS/PVA复合凝胶的太阳光反射率

图5. BNNS/PVA复合气凝胶、EPS泡沫和EPS@Coatings的(a) UV–vis–NIR谱图、(b) 太阳光加权反射率和(c-e) 现场试验(包括试验装置、太阳光强和实时温度)；(f) BNNS/PVA复合气凝胶与文献报道的隔热材料和商业产品在太阳光反射率与热导率两个方面的综合比较。