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                                  东华大学朱美芳院士团队《AFM》:高压缩性、油/水分离、隔热、应变感应的纳米纤维素杂化气凝胶
                                  2021-02-04 10:23:24 作者:高分子科学前沿 来源:东华大学 分享至:

                                  具有超大表面积、高孔隙率、低导热率、超轻、可压缩的气凝胶在减震能量、污染物吸附剂、应变传感器和热管理等领域受到了相当大的关注。以下三个因素是设计和制造高性能气凝胶的关键:i)对于构建???,1D纳米纤维、2D纳米片通常用于组装成3D蜂窝气凝胶,从而形成相互连接和纠缠的网络。ii)对于孔隙率,气凝胶中会在几个长度尺度上生成孔隙的分层布局,这些布局提可减小导热系数和并提高缓冲压缩/释放变形的空间。iii)对于接口,应牢固地连接构件以保持结构的完整性,这些构件紧密交联,以实现适当的载荷传递并在整个变形过程中阻止裂纹产生。


                                  东华大学朱美芳院士、成艳华副研究员和中科院江雷院士团队合作以细菌纤维素(BC)和甲基三甲氧基硅烷(MTMS)为原材料,开发了“润湿和矿化”的优化界面工程,以构建具有高机械压缩率(≈99%)和超疏水性(≈168°)的混合气凝胶。这种气凝胶能实现有效的油/水分离、隔热和应变感应。通过冷冻诱导组装,首先产生具有分层网络的BC纤维基质。然后进行干燥驱动的润湿和矿化,以实现聚甲基硅倍半氧烷(PMSQ)在BC纤维网络上原位生长,开发纳米复合气凝胶。在这种自下而上的组装过程中,可以同时控制界面连接、纤维纳米结构以及微观多孔结构。结果“Hierarchical Interface Engineering for Advanced Nanocellulosic Hybrid Aerogels with High Compressibility and Multifunctionality”发表在《先进功能材料》。


                                  【合成杂化气凝胶】


                                  作者使用疏水基团的MTMS,通过添加乙酸水溶液的催化剂将其水解并转化为胶体。将BC纳米纤维和MTMS溶胶添加到乙酸水溶液中,并以预定比例混合(图 1a)。冷冻时,纳米纤维和胶体被移动的水冰前沿一起推出,然后被限制在冰晶生长的间隙区域中(图 1b)。通过冷冻诱导的组装过程,形成微观的BC纤维基质。冷冻干燥后,冰升华,沿BC纳米纤维的平行方向形成连续的气液固三相接触线(TCL),在交叉的纳米纤维的接触点产生不连续的TCL。连续的TCL允许MTMS溶胶的熔融液体流沿原纤维的长轴扩散和渗透,以产生纤维弹性毛细管聚结,而不连续的TCL则导致胶体的聚集和聚集BC纳米纤维的接触。通过干燥驱动的缩聚过程,促进MTMS溶胶的聚合,产生PMSQ矿物网络,使其沉积在BC纳米纤维的表面和接触点上(图 1c),PMSQ涂层可以桥接相邻的纳米纤维以形成杂化纤维束,并在纤维束触点上堆积以生成牢固的交联剂。在制备的BC-PMSQ混合气凝胶中,刚性PMSQ与BC纳米纤维相互作用形成从分子到纳米级和微米级的杂化网络,其中结合物理缠结的强界面相互作用有利于出色的机械性能。因此,可通过冷冻干燥,在整合的润湿和矿化过程中直接获得BC-PMSQ杂化气凝胶。

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                                  图1 BC-PMSQ杂化气凝胶的加工原理和合成。


                                  【杂化气凝胶的形态表征】


                                  BC-PMSQ气凝胶密度超低(0.7mg cm-3),通过冷冻成型能形成各种形状,并能按任何期望的尺寸进行放大,以供将来的工业应用使用。它还显示出沿纵向对齐相互连接的3D框架(图 2d)。BC纳米纤维被牢固地缠结和缠结,并且有许多小孔(图 2f)。其孔隙率> 99%,分层的多孔结构确保了气凝胶的超轻特性和绝热性能,并可缓冲变形力,使气凝胶具有柔韧性和各向异性的机械性能。

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                                  图2 BC–PMSQ杂化气凝胶的微观结构。


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                                  BC-PMSQ混合气凝胶能够承受超过其自身重量的3.5×107倍的载荷,车辆翻滚之后能恢复到其原始形状。即使在80%的压缩应变下,气凝胶仍保持97.9%的高孔隙率。在压缩时还显示出快速的恢复速度,使钢球反弹,恢复速度约为567 mm s-1。此外,在低温下,气凝胶的弹性保留很好。它们可以反复吸附和挤压出液氮(图 4g),甚至在液氮中保持其结构稳定性1个月。在?150至200°C的环境空气中,温度弹性、储能模量、损耗模量和阻尼比几乎不变(图 4h)。即使进行20000次循环后,粘弹性模量相同(图 4i)。这种气凝胶在极端的环境中具有巨大的应用潜力。与先前报道的基于纤维素的气凝胶相比,BC-PMSQ混合气凝胶的最大可恢复压缩应变是99%,优于其他气凝胶(图 4j)。“

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                                  图4 BC–PMSQ杂化气凝胶的压缩特性。


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                                  BC-PMSQ杂化气凝胶具有超疏水表面,其表观水接触角约为168°(图5b),水滴可以立即从表面滚落而没有小倾斜角的滞后现象(图 5c)。该气凝胶具有超快的油/水分离能力,出色的吸收能力和吸收循环稳定性。它可在水中分离出氯仿和己烷,然后通过压缩以除去大部分有机溶剂(图 5d),这种能力是可循环重复的,(图 5e),并在100个吸收-压缩循环中对各种油/有机溶剂表现出出色的稳定性能(图 5g)。由于存在大量孔隙(> 99%),气凝胶的吸收能力是其自身重量的93-203倍(图 5h)。与其他最新的碳基气凝胶相比,其吸收能力相当高(图 5i)。

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                                  图5 BC-PMSQ混合气凝胶的超疏水性和吸油能力。


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                                  BC-PMSQ杂化气凝胶在室温下干燥条件下(RH = 30%)的热导率(λ)为28.9 mW m-1 K-1,比羽绒要低,甚至接近干燥空气的水平。其分级孔结构抑制了热对流和气体传导,而它们独特的纤维纳米结构则通过产生声子势垒来降低固体传导。提高防潮性能以防止水渗透是气凝胶确保隔热质量的关键前提。BC-PMSQ气凝胶的纤维突纳米结构、表面疏水部分和稳定的纳米纤维框架使其具有强大的超疏水性以承受高湿度。当相对湿度从30%变为90%时(图 6c),气凝胶的热导率几乎保持不变。但是,当温度升高时,羽绒的隔热性能会明显下降,其热导率增加。因此,该气凝胶可能是在极端温度和湿度下热?;さ牧己醚≡?。

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                                  图6持久的隔热性能。


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                                  通过在制造的初始步骤中将氧化石墨(GO)纳米片掺入BC-PMSQ复合框架中可实现导电BC-PMSQ-石墨烯复合气凝胶。压缩时,导电组件接触增加,电阻变化。将导电气凝胶和发光二极管(LED)灯组装,压缩应变增加,LED光变得更强,表明电导率得到改善(图 7d)。此外,这气凝胶还具有良好的可逆性和可重复性,在连续十次压缩/释放循环后,气凝胶的阻力几乎没有变化(图 7e)。这种气凝胶在精细传感(例如人体健康和运动监测)中有深远的应用。另外,其他具有磁性和催化功能的纳米材料也可以很容易地掺入BC-PMSQ网络中,以赋予最终的气凝胶附加功能。

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                                  图7 BC–PMSQ–石墨烯混合气凝胶的压力敏感性。


                                  结论


                                  作者通过冻干诱导的润湿和矿化方法合成矿物涂层BC-PMSQ气凝胶。得益于超轻量、高压缩性和超疏水性的优点,气凝胶具有优异的油/有机溶剂的吸收性能和可回收性,以及在高湿度条件下(RH = 95%)的持久隔热性能。此外,通过将GO纳米片结合到BC-PMSQ框架中,可获得导电气凝胶,即使在极低的压力下也显示出高灵敏度,从而证实了杂化气凝胶的定制功能。

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