随着社会经济的快速发展和人民生活水平的提高，热管理问题越来越受到人们的关注。二氧化硅气凝胶（SA）是一种超轻且高度多孔的隔热材料，是热管理应用的绝佳选择。然而SA在复合过程中可能会出现气凝胶孔隙被聚合物破坏、浸润的情况，使气凝胶丧失隔热性。利用亲水性聚合物溶液的高粘度特性和其与疏水SA之间亲疏水性质的差异，在强外力搅拌的作用下，可以使气凝胶被聚合物分子链包覆，从而实现气凝胶良好分散的同时保留其孔隙结构。但是，由于SA颗粒的高比表面积和超低密度，将大量SA颗粒分散到其他基质中以制备优质隔热材料或填充母粒仍然具有挑战性。另外，SA及其复合材料在使用过程中的限制条件多，使用场景单一。在聚合物复合领域，面团状的复合材料由于其自身可塑的特点，可以很好的塑形契合各种场景的使用。

近日，五湖四海5123第一站张建明教授团队受高内相乳液(HIPE)的启发，使用聚乙烯醇（PVA）水溶液作为粘合剂，通过将大量疏水性SA填料逐渐混合到少量PVA水溶液中，成功地制备了可加工的SA/ PVA复合材料(SA-PVA面团)，其中分散的SA超过74 vol%。得到的SA-PVA面团具有类似于HIPEs的内部结构，疏水SA颗粒被双亲性PVA链稳定在水相中，紧密地包裹在薄的连续PVA水相中。得益于这种HIPE结构，SA-PVA面团可以很容易地形成各种形状，并且在进一步加工中具有良好的适用性。干燥后的面团继承了SA的优异性能，包括超低密度、超疏水性(水接触角:153°)、绝热性(导热系数:0.03 W m^-1 K^-1)和阻燃性。此外，连续的PVA网络结构与SA的纳米级孔隙结构相结合，使面团具有优异的气体阻隔性能，极大地扩展了SA基复合材料的应用范围。相关工作以题为“Silica Aerogel-PVA Dough: A High Internal Phase Composite with Superior Thermal Insulation and Gas Barrier”的研究性论文发表在国际著名期刊Composites Science and Technology上（DOI：10.1016/j.compscitech.2024.110553）。五湖四海5123第一站五湖四海5123第一站硕士研究生张健超为本论文第一作者，通讯作者为五湖四海5123第一站张建明教授和张晓方副教授。

图1. SA-PVA面团的制备示意图

图2. SA-PVA面团的流变性能及其微观结构示意图

图3. SA-PVA面团的可加工特性

图4. SA-PVA面团作为涂层实际使用时的保温隔氧性能探究

图5. SA-PVA面团的多功能性探究

总结

研究人员展示了一种分散74 vol%以上SA的高内相SA- PVA面团材料。先进的设计原理包括：（1）借助SA与PVA水溶液间的疏水相互作用保护SA的多孔结构，使SA孔径不被聚合物基质破坏。（2）利用乳液体系中的高内相结构进行设计，以PVA分子作“乳化剂”在水相中稳定SA颗粒，实现SA的高体积填充，SA的功能性得以完美继承。（3）高内相SA-PVA复合材料的高屈服应力克服自身重力影响，使材料展现出可塑的面团状态，这种状态大大拓宽了SA/PVA复合材料的应用范围。基于此，SA-PVA面团展现了优异的保温隔氧性能与成型能力，在食品低温保鲜领域具有重大潜力。

此研究工作得到国家自然科学基金项目（51903134）和北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室开放基金项目（oic-202201009）的支持。