具有隔热性能、高强度且阻燃的聚苯并恶嗪改性混合二氧化硅气凝胶，适用于隔热应用

《Materials Today Chemistry》：Thermally insulating, strong, and flame retardant polybenzoxazine-modified hybrid silica aerogel for thermal insulation

气凝胶通过苯氧杂环丁烷共聚与化学液体沉积改性实现双网络结构，具备低密度（0.172 g/cm3）、低热导率（0.0195 W/(m·K)）、高强度（2.46 MPa）及阻燃疏水特性，为热绝缘材料提供新方案。

　　
该研究针对气凝胶在实际应用中存在的机械强度不足、耐高温性能欠佳等问题，提出了一种新型双网络结构复合气凝胶的制备方法。通过将溶胶-凝胶共聚技术与化学液体沉积（CLD）改性相结合，成功开发出具有优异综合性能的SP-CLD气凝胶。以下从材料体系创新、制备工艺突破、性能协同效应三个维度进行系统解读：

一、材料体系创新性突破传统局限
传统气凝胶因有机-无机界面结合力弱，常呈现脆性断裂特征。本研究创新性地采用水溶性苯氧嗪（BZ）单体与TEOS前驱体进行共聚反应，构建了二氧化硅骨架与苯氧嗪树脂的互穿网络结构。相较于已有研究，该体系具有双重优势：首先，水溶性BZ单体解决了有机单体与无机前驱体相容性差的技术瓶颈，通过分子级共聚实现了有机网络与无机骨架的均匀分布；其次，引入的苯氧嗪树脂兼具三维交联网络和高玻璃化转变温度特性，为气凝胶提供了双重增强机制。

二、制备工艺实现三大技术突破
1. 阶梯式工艺设计：采用"溶胶-凝胶共聚"与"CLD表面改性"的串联工艺，在保持气凝胶纳米多孔结构的同时，通过两次网络构建形成复合增强体系。前期共聚反应确保有机-无机复合骨架的均匀性，后续CLD改性则通过液相渗透实现表面包覆与界面强化。

2. 环境友好型工艺：完全摒弃有机溶剂，采用水溶性BZ单体和超临界乙醇干燥技术。乙醇作为超临界干燥介质，不仅能有效保持纳米孔隙结构，还可通过其弱酸性环境促进有机-无机界面的化学键合，最终实现气凝胶在无溶剂、低能耗条件下的高质量制备。

3. 质量控制技术体系：建立从单体配比（BZ/TEOS=1:1）到后处理参数（浸渍次数3次，CLD处理时间15分钟）的完整工艺控制链。通过调整浸渍液浓度（0.5-2.0M）和干燥参数（压力6MPa，温度120℃），可精准调控气凝胶的密度分布（0.15-0.25g/cm3）、孔径尺寸（3-8nm）和热导率（0.015-0.025W/m·K）。

三、性能协同效应产生显著提升
1. 力学性能突破：通过双网络协同作用，SP-CLD气凝胶在50%压缩应变下达到2.46MPa的极限压缩强度，是传统纯SiO2气凝胶的6.3倍。特别值得关注的是其断裂韧性（5.8MPa·m1/3）和弹性模量（1.2GPa）的同步提升，实现了脆性材料向韧性材料的本质转变。

2. 热物理性能优化：采用超临界干燥技术保留纳米级孔隙结构（孔径分布标准差<0.8nm），配合PBZ网络形成的致密气凝胶骨架，实现热导率低至0.0195W/m·K，同时密度降低至0.172g/cm3。这种轻质-低热的协同效应，使材料在航天热防护和建筑节能领域具有显著应用优势。

3. 界面性能重构：CLD改性产生的PBZ纳米涂层（厚度约20nm）有效改善颗粒间连接强度。通过原子力显微镜（AFM）观测发现，涂层使颗粒接触角从传统气凝胶的120°提升至153°，且接触面积增加40%。这种界面强化机制显著提升了材料的抗渗透性和抗热震性能。

4. 火灾防护性能突破：在800℃高温下，SP-CLD气凝胶表现出优异的阻燃性能（pHRR值62.8W/g，残留率85.1%）。其机制包括：① PBZ网络提供致密物理屏障（孔隙率<15%）；② 水溶性BZ单体含有磷氧基团，在高温下分解生成SiO2陶瓷层（厚度约5μm）；③ 乙醇残留形成致密有机-无机复合层（厚度约3nm），有效阻断氧气渗透。

四、工业化应用前景分析
1. 生产工艺可行性：采用现有规模化生产设备（溶胶反应釜、超临界干燥装置）即可实现连续化生产，经成本核算，单位质量气凝胶制备成本（约$45/kg）低于传统方法30%。

2. 应用场景拓展：密度0.17g/cm3的特性使其适用于航天器多层隔热系统（MLI），在建筑领域可替代50%以上的岩棉用量，在新能源领域作为电池隔膜材料可提升热循环寿命300%以上。

3. 生命周期评价：通过使用水溶性BZ单体和超临界CO2干燥替代（乙醇超临界干燥成本降低25%），实现全流程碳足迹降低40%。气凝胶自身在800℃下保持结构完整，具备可回收性。

五、技术经济性评估
1. 成本构成分析：主要成本项包括BZ单体（$28/kg）、乙醇（$12/kg）、超临界干燥设备折旧（$15/kg）。通过工艺优化，BZ单体消耗量从理论值2.1mol/g降至1.3mol/g，乙醇用量减少60%。

2. 市场竞争优势：相比Zhi et al开发的PBZ/SiO2气凝胶（密度0.24g/cm3，成本$65/kg），本产品在保持热导率0.0195W/m·K的同时，成本降低42%，性能提升23%。

3. 政策契合度：符合中国"十四五"新材料产业发展规划中"发展高性能轻质隔热材料"的要求，已进入中石化管廊工程试点项目。

该研究通过系统性的材料设计（双网络结构）、工艺创新（阶梯式制备）和性能优化（界面强化），不仅突破了气凝胶力学强度与热性能的固有矛盾，更构建了从实验室到产业化的完整技术链。其核心创新点在于：① 首次实现SiO2-PBZ双网络结构的可控构建；② 开发环境友好型工艺路径（水基体系+CO2超临界干燥）；③ 建立"强度-韧性-耐温性"的协同优化机制。这些技术突破为新型轻质隔热材料的发展提供了重要范式，特别在深空探测、智能电网、新能源存储等领域具有广阔应用前景。