文献前沿丨Chemical Engineering Journal：受骆驼启发的无冷冻干燥纤维素基气凝胶泡沫，用于建筑自适应热管理

传统纤维素气凝胶通常依赖冻干或超临界干燥获得高孔隙结构，制备过程耗时耗能，同时常规辐射制冷材料在夜间低温环境中还容易产生过度冷却。本文借鉴沙漠骆驼毛发通过蓄积静止空气实现昼夜双向隔热的机制，采用表面活性剂辅助机械发泡和常压烘箱干燥制备纤维素基气凝胶泡沫。硬脂酸钠（sodium stearate，SS）通过降低气-液界面张力并提供静电排斥稳定湿泡沫，使材料在无需冻干的条件下获得99.08%的高孔隙率和0.033 W/(m·K)的低热导率。其微米孔/纳米壁结构与纤维素本征红外振动共同赋予材料96.5%的太阳反射率和95.6%的中红外发射率。室外测试中，材料在平均750 W/m²太阳辐照下最高低于环境温度6.3 ℃，夜间则因隔热作用保持比环境高约2.6 ℃，实现白天辐射制冷与夜间保温的自适应调节。EnergyPlus模拟进一步表明，该气凝胶泡沫在10个代表城市的平均建筑热管理节能效率可达25.03%，体现出绿色制备和建筑节能应用潜力。相关工作以Freeze-drying-free camel-inspired cellulose-based aerogel foam for adaptive building thermal management为题发表于Chemical Engineering Journal期刊。

本文受骆驼毛昼夜热调节机制启发，采用表面活性剂辅助机械发泡和常压烘箱干燥制备纤维素基气凝胶泡沫，其高孔隙结构可在白天抑制外界热传入、夜间减少室内热损失（图1）。SEM、EDS、FTIR、XRD和XPS表明材料形成微米孔/纳米薄壁结构，并成功引入硬脂酸钠（图2）。该泡沫太阳反射率达96.5 %，中红外发射率为95.6 %，微纳结构有利于增强光散射和红外辐射（图3）。室外测试中，在约750 W/m²太阳辐照下最高实现6.3 ℃亚环境降温，夜间平均高于环境2.6 ℃（图4）。材料热导率低至0.033 W/(m·K)，表现出良好的隔热性能（图5）。MTMS改性后具备疏水、自清洁和紫外稳定性（图6）。EnergyPlus模拟显示，其在10个代表城市的平均节能效率达25.03 %（图7）。

图1纤维素基气凝胶泡沫的设计。a)纤维素基气凝胶泡沫的制备流程。b)设计理念与散热过程。

图2纤维素基气凝胶泡沫的表征。a)纤维素基气凝胶泡沫的扫描电镜图；b)纤维素基气凝胶泡沫的能谱图；c) CMCNF、纤维素基气凝胶泡沫与SS的傅里叶变换红外光谱图；d) CMCNF和纤维素基气凝胶泡沫的X射线衍射图谱；e-h)纤维素基气凝胶泡沫的X射线光电子能谱分析。

图3纤维素基气凝胶泡沫的光学性能。a)纤维素基气凝胶泡沫与羧甲基纤维素纳米纤维（CMCNF）的反射率。b) 200 nm孔壁厚度对500 nm太阳光的散射模拟。c)分别对应太阳辐照波段与中红外（MIR）波段的反射率和发射率。橙色背景代表AM 1.5太阳光谱，蓝色背景为大气透明窗口。d)纤维素基气凝胶泡沫的太阳反射与中红外发射机理示意图。

图4纤维素基气凝胶泡沫的室外降温性能评估。a)室外暴露条件下纤维素基气凝胶泡沫与房屋模型的红外图像（测试日期：2025年7月14日）。b)室外辐射制冷装置示意图。c)环境空气与纤维素基气凝胶泡沫的日间温度。d)环境空气与纤维素基气凝胶泡沫的夜间温度。e)多云天气。f)纤维素基气凝胶泡沫日间理论辐射制冷功率与温度变化曲线。g)模拟风速与发射率对制冷能力的影响。

图5纤维素基气凝胶泡沫的热管理性能。a)人体皮肤隔热测试。b)常见隔热材料与纤维素基气凝胶泡沫的导热系数。c)以加热板模拟人体皮肤的散热性能测试。d)利用砝码与沸水同步测试力学性能和隔热性能。e)加热板温度为50 ℃和100 ℃时，纤维素基气凝胶泡沫上、下表面的温度变化。f)日间太阳辐射示意图。g)太阳辐射条件下纤维素基气凝胶泡沫与白色抹灰墙的传热模拟。h)夜间建筑采暖示意图。i)以建筑为热源，纤维素基气凝胶泡沫和白色抹灰墙与周围空气的传热模拟。

图6纤维素基气凝胶泡沫的稳定性与耐候性。a)纤维素基气凝胶泡沫的超轻特性展示。b)纤维素基气凝胶泡沫的压力测试。c) CMCNF的疏水效果。d) CMCNF与纤维素基气凝胶泡沫的接触角。e)纤维素基气凝胶泡沫的拒水性能演示。f)纤维素基气凝胶泡沫表面粉尘自清洁演示。g)纤维素基气凝胶泡沫的紫外老化测试。

图7纤维素基气凝胶泡沫的节能模拟。a)中国主要城市中三种不同建筑材料模式的热管理能耗。b)不同建筑材料模式的能效对比。c)将纤维素基气凝胶泡沫用作建筑围护结构材料时，全国全年的节能效果对比。

小结：本文采用常压烘箱干燥制备了仿骆驼毛纤维素基气凝胶泡沫，避免了传统冻干过程带来的高能耗和长周期。硬脂酸钠通过降低泡沫界面张力并稳定湿态结构，使材料形成微米孔/纳米壁多级结构，孔隙率达到99.08 %。该结构赋予材料96.5 %的太阳反射率、95.6 %的中红外发射率和0.033 W/(m·K)的低热导率。室外测试显示，材料在平均750 W/m²太阳辐照下最高可实现6.3 ℃亚环境降温，理论冷却功率为105.8 W/m²。而夜间则依靠多孔结构的隔热作用保持比环境高约2.6 ℃，减轻传统辐射制冷材料的过度冷却。利用MTMS改性进一步提高了拒水、自清洁和紫外稳定性。建筑能耗模拟表明，该材料在10个代表城市的平均节能效率达到25.03 %，说明辐射制冷与低热导隔热的协同能够兼顾白天降温和夜间保温，为纤维素基材料用于低碳建筑热管理提供了可行途径。

论文信息：Tao Hai, Yu Yang, Qian Zhao, Yuqi Li, Xuejie Yue, Tao Zhang, Dongya Yang, Fengxian Qiu, Freeze-drying-free camel-inspired cellulose-based aerogel foam for adaptive building thermal management. Chemical Engineering Journal, 2026, 547: 178138.

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