mile米乐集团 利用聚硅氧烷和生物聚合物特性的复合多孔材料的生产方法

Satoru Takeshita，首席研究员，Takumi Ono，研究员，米乐m6官方网站 (AIST) 化学工艺研究部聚硅氧烷源自天然产品生物聚合物的多孔材料复合材料气凝胶)开发了一种新的制造方法。

该制造方法使用多孔聚硅氧烷骨架和生物聚合物交联体单独在同一空间内，可以创建一种透明的气凝胶，其中两者在几十纳米的尺度上均匀复合。这使得制造具有单一成分无法实现的功能的多孔材料成为可能，例如防水性和柔韧性。这将有助于开发导热系数低于静止空气的隔热材料。

该技术的详细信息将于 2023 年 7 月 19 日（欧洲中部时间）公布。Angewandte Chemie 国际版

未来的房屋和汽车将需要透明的隔热材料，这些材料重量轻、易于变形和加工，并且允许光通过但不允许热量通过。此外，随着电子设备的集成度越来越高，随着电子设备变得越来越小，需要有效地阻挡热量，因此比现有材料导热率更低的绝缘材料是必不可少的。这样，包括保温材料热管理材料对9344_9382|的各种要求数量不断增加，传统技术已无法满足。

气凝胶被认为是下一代隔热材料的有希望的候选者。气凝胶是一种孔隙率高达90%以上、孔径为数十纳米的多孔材料。与致密块状材料或具有微米级孔隙的多孔材料不同，它们具有超轻重量、低导热性、低光散射（透明度）和独特的纳米空间等特性。二氧化碳₂气凝胶作为有助于碳中和的功能材料（例如吸附剂和催化剂载体）而引起人们的关注。

目前，世界各地正在对主要由二氧化硅和聚硅氧烷制成的气凝胶进行研究，并开发使用这些材料的绝缘材料。然而，除了一些特殊的聚硅氧烷材料外，这些气凝胶由于对弯曲变形敏感且脆性而没有广泛用作实际产品。

AIST正在致力于以自然资源为主要原料的气凝胶的开发。壳聚糖开发了气凝胶和透明柔性绝缘材料2015 年 11 月 9 日 AIST 新闻稿、2017 年 9 月 4 日发布在网络上的主要研究成果）。这种材料存在防潮问题，迄今为止还无法进行技术转让。因此，我们重点研究疏水性聚硅氧烷与生物聚合物的复合材料。到目前为止，很难制造出两种生物聚合物均质复合材料的气凝胶，除非将生物聚合物处理形成纳米纤维（例如纤维素纳米纤维）。这次，我们开发了一种方法来创建廉价的水溶性生物聚合物和聚硅氧烷的均质复合气凝胶。

这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (B) 22H01894 的支持。

聚硅氧烷原料和水溶性生物聚合物具有不同的化学性质，因此如果它们同时固化，它们会形成微米级或更大规模的彼此分离的结构，并且不会形成均匀的复合材料。在该方法中，聚硅氧烷骨架的形成和生物聚合物的交联（凝胶化）在同一空间内以单独的步骤进行。如图 1 所示，我们开发了两种方法，分别为硅氧烷优先和生物聚合物优先。硅氧烷-首先从聚硅氧烷原料、生物聚合物、表面活性剂和尿素（pH调节剂）的均匀溶液开始，首先提高pH以创建聚硅氧烷骨架，然后添加交联剂（金属离子）以交联生物聚合物。对于生物聚合物优先，首先将交联剂添加到相同的均匀溶液中以交联生物聚合物，然后升高 pH 值以形成聚硅氧烷骨架。在这两种方法中，最后CO₂超临界干燥除去溶剂，得到气凝胶。

作为具有疏水性的廉价聚硅氧烷原料甲基三甲氧基硅烷，作为一种资源廉价且丰富的生物聚合物海藻酸、果胶、卡拉胶、羧甲基纤维素，我们成功地使用除羧甲基纤维素之外的三种生物聚合物获得了数十纳米尺度的均匀复合透明气凝胶。

特别是，先用硅氧烷制成的聚硅氧烷-海藻酸复合气凝胶具有优异的透明性和拒水性，在弯曲测试中，其弯曲程度约为仅用聚硅氧烷制成的气凝胶的两倍（图2）。在首先使用生物聚合物制备的聚硅氧烷-角叉菜胶复合气凝胶中也观察到柔韧性的类似改善，尽管其透明度稍差。这些复合气凝胶表明，通过添加约十分之一重量的生物聚合物交联材料，可以显着改善聚硅氧烷多孔材料的柔韧性，该材料本身抗弯能力较弱。

此外，当我们使用聚硅氧烷-海藻酸复合气凝胶制作约13平方厘米（约5毫米厚）的样品并测量其导热系数时，其导热系数低于静止空气的导热系数（22 mW/（m·K））。该材料是堆积密度，可以实现更低的导热系数，有望应用于高性能、半透明隔热材料。

将来，我们将研究决定产生透明复合材料和不产生透明复合材料的生物聚合物之间差异的因素。为了实现多样化的组合，我们将研究生物聚合物和聚硅氧烷的化学亲和力与所得复合材料的结构均匀性之间的关系，并促进对复合材料机理的全面理解。我们还将探索更适合工业应用的制造方法，例如超临界干燥以外的凝胶干燥方法，并将致力于评估其作为绝热体和吸附剂的性能。

已出版的杂志：应用化学国际版
论文标题：生物聚合物-聚硅氧烷双网络气凝胶
作者：竹下悟、小野工
DOI：101002/ani202306518

聚硅氧烷

具有硅氧烷键 (Si-O-Si) 的聚合物的总称。二氧化硅（SiO2）₂)具有其中1个Si原子通过硅氧烷键与4个周围的Si原子连接的骨架。存在多种聚硅氧烷化合物，其中这四个键中的一些被有机官能团取代。这次，其中一个被甲基取代（见下文）。[返回来源]

生物聚合物

从天然产物中直接提取而获得的聚合物，或以天然产物成分为原料制造的聚合物。这次是前者。[返回来源]

气凝胶

过去，采用超临界干燥方法制成的多孔材料被称为气凝胶。如今，类似物料的干燥方法已经多样化，因此根据领域和物料的不同，其定义也略有不同。这里，我们将主要由相互连接的中孔（2nm至50nm的孔）组成且具有约90%或更高的高孔隙率（空隙与体积的比率）的均质多孔材料称为气凝胶。[返回来源]

交联体

聚合物链网络是通过在聚合物链之间或在单链上的不同位置引入桥键而形成的。这次，我们将介绍生物聚合物的羧基（COO⁻) 和磺基 (SO₃⁻) 是金属离子 (Ca²⁺艾尔³⁺)和羧基或磺基通过金属离子桥联。[返回来源]

热管理材料

一组用于有效控制热能的材料，包括抑制热传递的隔热材料、储存热量的蓄热材料以及释放热量的散热材料。[返回来源]

壳聚糖

一种由废弃虾蟹壳工业生产的生物聚合物，带有氨基 (–NH₂)。虽然壳聚糖可溶于微酸性水中，但在导致形成聚硅氧烷骨架的pH值下会沉淀，因此该方法中不使用壳聚糖。[返回来源]

超临界干燥

当物质置于其临界压力或温度之上时，它会变成超临界状态，不会出现液-气界面。这是一种通过这种超临界状态避免由于界面张力而变形以及对微观结构的影响的干燥方法。这次，我们将讨论湿凝胶中含有的乙醇和超临界CO。₂利用（临界压力7MPa，临界温度31℃）在高压下形成均相的事实，将乙醇转化为超临界CO₂后，降低压力，制成气态CO₂并将其干燥。[返回来源]

甲基三甲氧基硅烷

一种聚硅氧烷原料，其中一个硅氧烷键为甲基（Si–CH₃)被聚甲基倍半硅氧烷取代。除此之外，乙烯基 (–CH=CH₂)将烷基链网络（单键烃）纳入内部的那些。其中一些产品兼具透明性和耐弯曲性，但需要特殊的聚硅氧烷原料和后处理，因此迄今为止尚未投入工业化应用。[返回来源]

海藻酸、果胶、羧甲基纤维素、卡拉胶

源自天然产物的生物聚合物，在工业上广泛用作增稠剂、稳定剂等。海藻酸、果胶、羧甲基纤维素和卡拉胶的主要来源是海带等褐藻、柑橘类水果、源自植物的改性纤维素和日本雪松等红藻。[返回来源]

堆积密度

填充在容器等中的多孔材料或粉末的表观密度，通过将包括骨架实心部分和空隙部分在内的总重量除以总体积计算得出。堆积密度越小，多孔材料越薄（孔隙率越高）。[返回来源]