纤维素是最丰富的天然聚合物材料之一，由通过1,4-β-糖苷键连接的葡萄糖单元组成。纤维素的分子链通过广泛的分子内和分子间氢键形成稳定的层次结构[1,2]。通过机械、化学或生物方法将天然纤维素分解到纳米尺度，可以获得各种形式的纳米纤维素，如纤维素纳米纤维和纤维素纳米晶体[3]。由于其高长径比、大的比表面积和丰富的表面官能团，纳米纤维素被广泛用于轻质多孔材料的制备[4]。气凝胶是由纳米级构建块组成的超轻多孔固体，通常具有80-99.8%的孔隙率，并具有相互连接的纳米级孔结构。这些结构特征可以有效抑制主要的热传递途径，如固体传导、气体对流和热辐射，从而实现极低的热导率[[5], [6], [7]]。纳米纤维素气凝胶不仅具有可再生性、生物降解性和环保性等优点，还部分缓解了传统无机气凝胶的固有脆性问题[8,9]。因此，纳米纤维素气凝胶被认为是下一代绿色隔热材料，在建筑隔热[10]、电子设备[11]和可穿戴热防护[12]等领域具有广泛的应用前景。
尽管纳米纤维素气凝胶在隔热性能和可持续性方面具有显著优势，但其实际应用仍面临挑战。它们的三维网络结构主要依靠氢键和物理缠结维持，这使得它们在外部压缩或重复加载条件下容易发生不可逆的结构塌陷，导致孔隙率和隔热性能下降[[13], [14], [15]]。此外，纳米纤维素表面富含羟基，使其具有高亲水性。在高湿度环境中，它容易吸收水分，从而增加内部热传导并削弱隔热稳定性[16,17]。
可以通过化学交联和增强相复合材料等方法提高纳米纤维素气凝胶的机械性能。化学交联在纤维素分子链之间引入共价键，形成稳定的三维网络，抑制纤维滑动并增强结构完整性[18]。增强相复合材料通过掺入无机纳米颗粒或弹性有机组分形成多相系统。Chen等人[19]通过定向冷冻过程将受阻水基聚氨酯与CNFs交联，制备了各向异性的CNF-WPU复合气凝胶，表现出优异的压缩弹性，并实现了60%的可逆压缩应变。Yuan等人[20]使用水溶性乙烯基单体作为交联剂，制备了具有弹性增强的层状CNF气凝胶，在70%的应变下表现出出色的压缩弹性。Liu等人[21]将碳纳米管和还原氧化石墨烯掺入纤维素纳米纤维悬浮液中，制备出能够承受10,000次压缩循环（50%应变）的复合气凝胶。然而，现有的增强方法往往伴随着材料密度增加、轻质性能减弱以及由于界面结合不良导致的结构失效等问题，这限制了其综合性能的进一步优化[22,23]。
作为最成熟的无机气凝胶系统之一，二氧化硅气凝胶具有极低的热导率、稳定的无机框架和优异的高温耐受性[24]。其引入有望为纳米纤维素气凝胶提供有效的刚性支撑，从而在加载条件下增强材料的结构稳定性[25]。近年来，研究人员通过多种策略制备了纤维素-SiO2复合气凝胶。Liu等人[26]使用离子液体溶解废弃棉织物，制备了纤维素/二氧化硅复合气凝胶，热导率为0.034 W·m-1·K-1，密度约为17 mg·cm-32/纤维素复合气凝胶纤维。然而，其热导率（0.062 W·m-1·K-1）相对较高，机械性能主要依赖于致密的纤维素核心层，这只能在壳核复合结构中实现。Zhang等人[28]报道了一种具有超疏水性和0.0192 W·m-1·K-1热导率的硅烷化纤维素-SiO2气凝胶；然而，其制备过程复杂，需要多步有机溶剂交换，导致大规模生产成本较高。当采用简单的物理混合方法构建有机-无机复合系统时，材料在外部应力下容易发生界面滑动或相分离，从而阻碍有效的应力传递并限制了机械增强效果[29]。引入无机相可能会破坏原始纤维网络的连续性，导致孔隙分布不均匀或局部致密化，从而削弱低热导率的优点[30]。此外，纤维素的固有亲水性可能会削弱复合气凝胶在潮湿环境中的长期隔热性能和服务可靠性，从而限制了其在复杂环境中的实际应用。
为了解决上述问题，本研究开发了一种具有共价键双网络结构的纤维素纳米纤维/SiO2复合气凝胶，使复合气凝胶同时保持低密度、低热导率和增强的机械性能。引入硅烷偶联剂KH550与纤维素纳米纤维形成稳定的共价界面，从而增强界面桥接和应力传递能力。通过调节有机-无机组分的比例，优化了复合材料中双网络互穿结构和层次孔结构的形成。此外，还使用三甲基氯硅烷（TMCS）对纤维素纳米纤维/SiO2复合气凝胶进行气相疏水改性，以提高其在高湿度条件下的结构稳定性和隔热性能。同时，系统研究了复合气凝胶的微观结构、机械性能、隔热性能和疏水性，为开发高性能、可持续的复合气凝胶提供了理论指导和实验依据。
