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中科院苏州纳米所张betway88w投注同研究员团队《ACS Nano》:聚酰亚胺气凝胶获重要进展
2021-03-03  来源:科技
关键词:聚酰亚胺 气凝胶

  气凝胶是通过溶胶-凝胶纺丝和特种干燥技术直接获得的一种超轻多孔的新型高性能,是气凝胶结构在材料中的完美体现。气凝胶因其具有高孔隙率、低密度和优异的隔热保温性能而受到广泛关注,并被视为下一代保暖,有望颠覆羽绒,替代超细,在纺织、环境、能源等诸多领域具有重要应用前景。虽然目前已经有气凝胶问世,但是与种类繁多的块体气凝胶相比,气凝胶的种类还屈指可数。这是由于块体气凝胶制备过程中的静态溶胶-凝胶转变过程与的动态纺丝过程之间存在明显差异,通过传统的动态纺丝方法难以直接利用块体气凝胶的静态溶胶-凝胶转变研究成果。


  针对这一问题,中国科betway88w投注院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(简称中科院苏州纳米所)张betway88w投注同团队提出了一种制备气凝胶的普适方法,即溶胶-凝胶限域转变(SGCT)方法,巧妙的把气凝胶的动态纺丝过程调整为静态的溶胶-凝胶转变过程,从而为制备任意组分的气凝胶奠定了坚实的技术基础。以聚酰亚胺(PI)气凝胶制备为例,如图1所示,首先通过毛细管力使气凝胶前驱体溶液进入玻璃毛细管内腔,然后在毛细管的限域空间内实现前驱体的静态溶胶-凝胶转变,之后通过简单的溶剂冲洗取出凝胶,最后利用超临界CO2干燥获得了相应的气凝胶。得到的聚酰亚胺气凝胶具有超高比表面积(高达364 m2/ g),出色的机械性能(弹性模量为123 MPa),优异的疏水性(接触角为153°)和显著的柔韧性(曲率半径为200 μm)。


图1、通过溶胶-凝胶限域转变策略制备PI气凝胶的流程示意图


  实验表明,采用同样单体制备出的PI气凝胶块体是超亲水的(接触角为0°),而采用SGCT方法制备出的PI气凝胶则是超疏水的(接触角高达153°)。这是由于单体中的甲基基团在限域空间内易于在表面富集造成的。此外,与商业化的棉或者实验室自制的芳纶气凝胶相比,PI气凝胶也表现出显著优于上述两者的离火自熄灭(阻燃)特性。进一步测试表明,棉的极限氧指数为24,芳纶气凝胶的极限氧指数为28,而PI气凝胶的极限氧指数则高达46.2。隔热性能测试表明,与传统的棉及超细相比,PI气凝胶具有更加优异的隔热保温性能,且隔热保温性能的优异程度与气凝胶的直径正相关。值得注意的是,即使在极端恶劣的环境下(-165 °C ~ 205 °C的范围内),由PI气凝胶制成的气凝胶织物也具有出色的隔热保温效果。


图2、(a)高温下普通棉线与不同直径的PI气凝胶的红外热成像图;(b)普通棉线与不同直径的PI气凝胶的温差对比;(c)普通棉布与PI气凝胶织物对人体皮肤保温效果的数码照片与红外图像。


  此外,研究团队通过SGCT策略成功制备出了多种有机气凝胶、多种无机气凝胶和有机/有机、无机/无机、有机/无机杂化气凝胶,如图3所示,证明了SGCT策略的普适性。有理由相信,只要获得了块体气凝胶的静态溶胶-凝胶转变原理,通过SGCT策略,可以很容易地制备出与此块体气凝胶相对应的气凝胶,从而为最大限度地利用已知块体气凝胶的静态溶胶-凝胶转变知识制备出尽可能多的气凝胶提供了可能性。


图3、通过SGCT策略制备不同种类的气凝胶扫描电镜照片(a)琼脂糖气凝胶;(b)芳香聚酰胺气凝胶;(c)间苯二酚-甲醛气凝胶;(d)气凝胶;(e)碳气凝胶;(f)氧化硅气凝胶;(g)聚酰亚胺/氧化硅杂化气凝胶;(h)/碳纳米管杂化气凝胶;(i)芳香聚酰胺/羟甲基素杂化气凝胶。


  上述相关研究成果发表在美国化betway88w投注会的ACS Nano杂志上,论文作者包括博士生李鑫、博士后董国庆、博士生刘增伟。通讯作者为中科院气凝胶团队(www.aerogel-online.com)的张betway88w投注同研究员


  论文链接:https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c09391

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