연구 성과: 목재에서 단열과 내화성을 추출한 순수한 천연 모조 가스 겔

목재는 용도가 광범위한 재료와 풍부한 자원으로서 저밀도, 저열전도, 양호한 기계성능과 지속가능성 등의 특성을 가지고 있으며 수천 년 동안 사용되어 왔다.최근 몇 년 동안 나무 구조에 대한 인식을 바탕으로 독특한 물리적 성능과 광범위한 응용을 가진 각종 모조 나무 재료도 개발되었는데, 그 중에서 우수한 보온 성능을 가진 에어로겔은 중요한 연구 과제 중의 하나이다.플라스틱과 수지를 기반으로 한 모조 가스 겔은 생물학적 분해성이 떨어지는 제한을 받아 폐기물의 축적을 초래하고 환경 문제를 가져온다.기존의 나노 구조 기원을 기반으로 한 모조 가스 겔은 지속 가능성이 부족하고 비용이 많이 든다.따라서 현재 재료의 지속 불가능성 문제를 해결하기 위해 저비용, 저에너지 소모, 환경 보호의 신형 구축 기원을 개발하는 것은 모조 가스 겔의 발전에 중요한 역할을 할 것이다.

최근 중국과학원 원사이자 중국과학기술대학 교수인 유서홍팀은 하향식 전략을 채택하여 천연 바이오매스와 천연 광물을 원료로 우수한 단열과 내화 성능을 갖춘 순수 천연 모조 가스 겔을 제조했다고 보도했다.관련 연구 성과는 Anall-natural wood-inspired aerogel이라는 제목으로'독일 응용화학'에 발표됐다.

연구진은 교묘한 표면화학 조절 방법을 활용해 온화한 조건에서 마이크로미터 척도의 나무 부스러기 입자 표면을 활성화시켜 섬유소인 나노섬유를 노출시켰다(그림1a).이러한 입자 표면의 나노 섬유는 입자 간의 상호 작용을 현저하게 강화하고 단방향 냉동 기술과 결합하여 강인하고 내구성이 강한 나무 가스 시뮬레이션 젤을 구축했습니다.이 가스 겔은 천연 목재와 유사한 취향 통로 구조 (그림 1b-g) 를 가지고 있으며, 동시에 이 모조 나무 구조는 가스 겔의 열전도율을 낮추어 17.4 mW m-1K-1의 초저경향 열전도율을 가지게 할 수 있으며, 기존 섬유소 기반 가스 겔 재료와 각종 상업용 스펀지 (그림 2a-c) 보다 우수하다.또한 천연 점토 나노 필름을 첨가하면 이 가스 겔의 내화 성능이 크게 개선되어 1300 ℃ 의 고온의 화염이 적어도 20분 동안 타지 않도록 견딜 수 있다 (그림 2d-h).

이 전체 천연 모조 가스 겔은 천연 바사목과 대부분의 상업용 스펀지보다 단열과 방화 성능이 뛰어나 기존 상업용 단열재의 이상적인 대체품이 될 것으로 보인다.또한 전체 천연 모조 가스 겔의 천연 원료 공급원과 낮은 에너지 소비와 낮은 배출의 제조 공정은 생물학적 분해성과 지속 가능성을 좋게 하여 단열재가 생산, 사용, 폐기되는 과정에서 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄일 수 있다.

연구사업은 국가중점연구개발계획, 국가자연과학기금 중점프로젝트, 중국대학교 협동혁신계획, 안휘성 과학기술중대전문프로젝트, 중앙대학교 기본과학연구업무비 전문자금과 안휘성 중점연구와 개발계획 프로젝트 등의 지원을 받았다.

그림1. 전체 천연가스 겔의 제조와 구조.(a) 나무 부스러기 입자 표면 나노화 및 모조 나무 구조 구조 과정 설명도;(b-d) 천연목재 및 그 취향통로구조;(e-g) 천연 스펀지 및 취향 통로 구조.

그림2. 전체 천연가스 겔의 단열과 방화 성능.(a) 전체 천연가스 겔의 단열 성능과 보도된 섬유소기와 목기 가스 겔의 대비;(b) Ashby 그림은 전체 천연가스 겔의 단열 성능과 각종 상업용 스펀지의 대비를 보여준다;(c) 열복사, 열대류와 열전도 등 세가지 전열형식으로부터 전천연가스겔의 우수한 단열성능의 기리를 해석한다.(d-g) 화염을 거쳐 타는 모조 나무 가스 겔의 다른 부위의 미시적 구조;(h) 고온 탄화 후 가스 겔의 지름 방향과 축 방향의 열전도율 변화.