钠钛氧纳米带制备柔性耐高温隔热材料的研究进展

搁浅

钠钛氧纳米带制备柔性耐高温隔热材料的研究进展（DOI: 10.1016/j.mtnano.2021.100161）

随着航空航天、建筑、化工等行业对节能与安全性能要求的不断提高，传统有机隔热材料（如聚苯乙烯、聚氨酯）因易燃、高温性能差等缺陷已难以满足需求。无机隔热材料虽然具备优异的耐高温性能，却普遍存在脆性大、柔韧性差的问题，限制了其在复杂工况下的应用。为此，开发兼具低热导率、高柔性及优异阻燃性能的新型无机隔热材料成为当前研究热点。
材料设计与制备
本研究以商品化P25型TiO₂纳米颗粒为原料，通过水热反应成功制备出具有层状结构的钠钛氧（Na₂Ti₃O₇）纳米带。该纳米带具有高长径比（20–100）、厚度约10 nm，能够在水中形成稳定絮状分散体系。随后采用简易抽滤工艺，将纳米带组装成厚度可调、尺寸可控的多孔柔性毡状材料（TIM）。该制备方法成本低、工艺简单、易于规模化，具备良好的产业化前景。
微观结构与性能表征
X射线衍射（XRD）与透射电镜（TEM）结果显示，所得Na₂Ti₃O₇纳米带结晶度高，层状结构清晰，孔径主要分布在10–50 nm之间，符合介孔材料特征。氮气吸附测试表明其比表面积达到20.16 m²/g，孔隙结构丰富，有利于气体分子的散射与热传导路径的阻断，从而诱发明显的Knudsen效应，降低气相热导率。
热稳定性与阻燃性能
热重分析（TG）与差示扫描量热（DSC）测试表明，该材料在1000 °C以下几乎无质量损失，展现出优异的热稳定性。在经过1000 °C高温处理1小时后，材料尺寸与结构基本保持不变，仅出现轻微体积收缩。垂直燃烧测试（UL 94）进一步验证其出色的阻燃性能：在明火中灼烧10分钟后，材料结构完整，无明显烟雾或火焰蔓延，远优于常见的三聚氰胺泡沫等有机隔热材料。
隔热性能
在常温（25 °C）下，该Na₂Ti₃O₇基材料的导热系数低至0.052 W/m·K，明显低于传统石棉隔热材料（0.15 W/m·K）。红外热成像测试显示，在200 °C加热条件下，材料上表面温度仅为热源温度的一半，隔热效率超过50%。随着厚度增加，材料表面温度进一步降低，表现出良好的厚度可调性和隔热增强效应。
力学性能与柔性
尽管单根Na₂Ti₃O₇纳米带的弹性模量较低（<40 GPa），但由于其高长径比与交织结构，整体材料在40%压缩应变下仍能实现完全回弹，并可在100次循环压缩后保持88.3%的初始应力，展现出优异的疲劳耐久性。此外，该材料可轻松折叠、弯曲，具备良好的柔性和可裁剪性，适用于复杂表面包覆及柔性隔热层应用。
应用潜力与展望
Na₂Ti₃O₇纳米带基隔热材料兼具低热导、高柔性、优异阻燃性和高温结构稳定性，适用于高温气体过滤、防火织物、建筑隔热层、航空航天热防护系统等多个领域。未来研究可进一步优化纳米带排列方式、提升材料拉伸强度，并结合疏水改性等手段拓展其在潮湿环境下的应用性能。
结论
本研究成功开发出一种基于钠钛氧纳米带的柔性无机隔热材料，具备出色的综合性能。其低热导率、高耐温性、优良柔性和阻燃性能为替代传统有机和脆性陶瓷隔热材料提供了新思路，展现出广阔的应用前景与工程价值。