温度敏感器件，如感温元件和电池，在运输、储存和使用过程中容易受到环境温度的影响，可能导致故障、损坏，甚至引发安全事故。因此，热管理一直以来都是温敏器件研究的重要方向。相较于石油基的隔热材料，天然生物质基的多孔气凝胶具有绿色环保、广泛来源和低热导率等优点，是理想的热管理材料。传统的气凝胶制备方法，如模板法，由于其制备得到的气凝胶形状单一，限制了其在特定领域的应用。3D打印技术可以通过逐层打印来制造具有三维结构的材料，具有快速制造、高精度和定制化等优点，在高性能隔热气凝胶个性化制备领域拥有广泛的应用前景。

近日，南京林业大学梅长彤教授和中国石油大学（华东）李美春教授团队在增材制造领域权威期刊《Additive Manufacturing》(中科院一区, 影响因子：11.61 )，发表了最新研究成果“3D printing of customized lignocellulose nanofibril aerogels for efficient thermal insulation”。以未漂白杨木机械纸浆为原料，结合TEMPO氧化和超声法制备出含木质素纳米纤维素 (LCNFs), 经过浓缩匀质，形成了可用于挤出式3D打印的凝胶墨水。LCNF墨水经过流变性能测试、打印工艺优化和形状保真度评估，证明其具有优异的可打印性。按照实际需求构建三维模型，经打印、冷冻干燥后，形成的轻质多孔气凝胶具有良好的隔热性能，可应用于温敏器件的个性化热管理领域（图1）。

图1：3D打印定制LCNFs气凝胶用于温敏器件隔热。

LCNFs呈现出与CNFs相似的纤维状结构，两者均可在纤维间的物理连接和羟基的氢键作用下形成凝胶网络结构。与CNFs相比，LCNFs中少量的木质素纳米颗粒阻碍了纤维间团聚，使纤维直径和纤维间间距增加（图2）。

图2：LCNFs与CNFs之间理化性质的差异。

经过浓缩和匀质，粘弹性的LCNF凝胶墨水具有良好的流变性能和可打印性。由于木质素的存在，在保持较高的粘度和储能模量的同时，LCNF墨水具有更低的屈服应力，这有利于LCNF在更小的打印压力下顺利挤出。打印后的LCNF凝胶具有良好的成型性，冷冻干燥后也没有出现宏观的收缩和坍塌，具有高精度的形状保真度（图3）。

图3：LCNF凝胶墨水的可打印性能评估。

根据温敏器件的形状进行按需建模，打印后的LCNF多孔气凝胶具有良好的隔热性能，从而实现定制化隔热。可调控打印形状与打印厚度，实现不同等级的隔热保护，以满足不同的隔热需求。结果表明，定制化隔热气凝胶有效的阻隔了外界热量，降低了温度对于电池的影响，显著提高电池的使用寿命（图4）。这项工作为以可持续、经济、环保的方式快速制造可定制的隔热材料开辟了道路，扩宽了木材高值化利用的应用前景。

图4：3D打印LCNF气凝胶的隔热性能。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103841

人物简介：

梅长彤，南京林业大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国际木材科学院院士。长期从事人造板与木基复合材料方面的教学和科研工作。入选国际木材科学院院士、江苏省“333工程”中青年学术带头人、江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人。兼任教育部高等学校林业工程类专业教学指导委员会委员（2018-2022）、中国林学会理事、国家木竹产业技术创新联盟理事、全国人造板标准化委员会副主任委员、中国复合材料学会天然纤维复合材料分会副主任委员、中国林学会生木材工业分会副主任委员、中国林学会生物质材料科学技术分会副主任委员、江苏省复合材料学会常务理事、中国林产工业协会胶合板专委会秘书长。Journal of Bioresources and Bioproducts,《林业工程学报》、《木材科学与技术》、《中国人造板》期刊副主编。

李美春，中国石油大学（华东）石油工程学院教授、博士生导师，国家级青年人才，主要从事生物质纳米材料的绿色可控提取、功能化改性和纳米流体应用研究。在Prog. Mater. Sci., Adv. Mater., Coordin. Chem. Rev., Adv. Func. Mater.等刊物上发表研究论文80余篇，他引4500余次，7篇论文入选ESI前1%高被引用论文，入选2022年度全球前2%顶尖科学家榜单。荣获中国产学研合作创新成果奖一等奖、中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖，受邀担任Progress in Natural Science-Materials International、Current Nanoscience、Journal of Petroleum and Environmental Biotechnology等期刊编委/青年编委、Frontiers in Energy Research期刊客座编辑以及JACS等多本国际期刊特邀审稿人。