在追求节能环保的今天，如何让建筑既保温又防火是一个绕不开的话题。目前广泛使用的发泡聚苯乙烯（EPS）和发泡聚乙烯（EPE）等保温材料，不仅源于不可再生的石油资源，废弃后还会造成长期环境负担。纤维素作为地球上储量最丰富的天然高分子，凭借其可再生、低密度和低导热的特性，成为可持续隔热材料的有力候选。将纤维素制成轻质多孔的气凝胶或干凝胶，可充分发挥其隔热能力。常压干燥因其节能和可拓展性被视为首选制备方式，然而这类材料在常压干燥过程中极易因毛细力作用发生结构坍塌，且纤维素本身高度易燃。如何用简单的方法同时解决这两个难题，是该领域亟需攻克的挑战。

针对上述问题，东北林业大学材料科学与工程学院程万里/韩广萍教授团队与中科院过程工程研究所卢翊研究员合作，提出了一种以生物基植酸铵作为单一多功能添加剂的常压干燥策略。

相关研究成果以“Sustainable Ambient-Dried Cellulose Xerogels Enabled by Bio-Based Ammonium Phytate as a Dual-Functional Crosslinker and Flame Retardant”为题发表于《Carbohydrate Polymers》。

植酸铵同时发挥交联剂与阻燃剂的双重作用，使材料在常压干燥下保持高孔隙率和低体积收缩，最终所得干凝胶导热系数为45 mW m⁻¹ K⁻¹，极限氧指数高达95%，峰值热释放速率较纯纤维素干凝胶降低95.2%。该工作为利用全生物基原料开发高性能阻燃、保温材料提供了一条简洁且可规模化的新路径。

图1 CAP干凝胶的制备流程

1. CAP干凝胶的制备与成型机理

纤维素/植酸铵（CAP）干凝胶通过简单的冷冻-浸渍-溶剂交换-常压干燥工艺制备。先将TEMPO氧化纤维素纳米纤维冷冻成型，再通过真空浸渍引入植酸铵，用乙醇置换水分后直接在常温常压下干燥。整个过程一天之内即可完成，可制备大尺寸、各种形状的干凝胶块体。丁烷火焰测试中，材料表面迅速碳化形成致密保护层，有效阻隔火焰与热量传递，背面纸花完好无损。

图2 CAP干凝胶的微观形貌与化学表征

2. 植酸铵与纤维素网络的双重界面作用

植酸铵与纤维素网络之间形成了离子交联与氢键双重界面作用。纯CNF干凝胶在常压干燥后严重坍塌，而CAP-6干凝胶保持了完整的三维多孔网络。高倍SEM显示植酸铵以层状形式附着在纤维素孔壁上。随着植酸铵含量增加，体积收缩率从纯CNF的41.78%降至13.23%，孔隙率始终高于90%。FTIR和XPS分析证实了铵根离子与羧酸根之间的离子交联以及磷酸根与羟基之间的氢键作用。

图3 CAP干凝胶的力学与隔热性能

3. 隔热与结构增强的同步实现

植酸铵增强使材料在保持隔热性能的同时获得了结构强化。经植酸铵增强后，CAP系列干凝胶在80%应变下的压缩强度较纯纤维素CNFA提高了约3.6倍，杨氏模量从0.09 MPa逐步增至2.22 MPa。在100°C热台上放置10分钟后，CAP-6干凝胶上表面与热台温差达46.5°C，优于EPS和EPE。所有CAP干凝胶的导热系数均在45–49 mW·m⁻¹·K⁻¹范围内。

图4 CAP干凝胶的阻燃性能

4. 植酸铵赋予材料优异的阻燃性能

CAP-6干凝胶展现出优异的阻燃性能。锥形量热测试中，其的峰值热释放速率仅为5.6 kW m⁻²，较纯纤维素气凝胶降低95.2%，极限氧指数（LOI）高达95%，远超常规阻燃材料的28%阈值，试样在垂直燃烧测试中离火自熄，达到UL-94 V-0级。与已报道的纤维素基阻燃材料进行对比，CAP-6干凝胶在超高LOI与超低热释放方面均表现出色。

图5 CAP干凝胶的阻燃机理分析

5. 植酸铵的磷-氮协同阻燃机理

植酸铵通过气相与凝聚相协同作用实现高效阻燃。TG-IR分析表明植酸铵显著抑制了可燃挥发分的生成并释放NH₃稀释可燃气体。拉曼光谱分析证实，植酸铵在材料表面富集有利于火焰接触时快速形成致密石墨化炭层。阻燃机理归因于气相自由基淬灭与凝聚相催化成炭的磷-氮协同效应。

图6 CAP干凝胶的建筑防火与隔热应用展示

6. 建筑节能场景中的实际应用验证

CAP干凝胶在模拟建筑场景中兼具可靠的防火屏障与高效的隔热保温性能。防火测试中，CAP干凝胶保护下的木屋屋顶在丁烷火焰持续灼烧下结构完好。室外约−1°C条件下，安装CAP干凝胶保温层的建筑模型室内温度可维持在约20°C，保温时长约为无保温对照组的2倍。

综上所述，该研究以生物基植酸铵作为单一添加剂，通过常压干燥策略制备了兼具低导热与高效阻燃的纤维素基复合干凝胶。该材料在不添加任何额外交联剂或增强剂的前提下，实现了高孔隙率、低体积收缩、导热系数45 mW m⁻¹ K⁻¹、极限氧指数95%以及低峰值热释放速率的综合性能。这一“一分子双功能”策略为全生物基防火保温材料的简洁化、规模化制备提供了新路径。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2026.125512

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