說到凝膠,第一印象就是由高濃度溶液/溶膠失去流動(dòng)性后形成的彈性半固體。沒錯(cuò),這是凝膠的常見狀態(tài)。但如果我們把液體換成氣體呢?被氣體填充的凝膠就變成了氣凝膠,其密度極低,最低可低至0.16mg/cm3,僅為空氣密度的1/6,因此也是世界上最輕的固體的材料。把這種材料放在花朵上,柔軟的花蕊幾乎不會(huì)變形。那么問題來了,如此輕的材料可以發(fā)揮什么作用呢?盡管氣凝膠很輕,但其具有多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可產(chǎn)生優(yōu)異的隔熱性能,同時(shí)氣凝膠還可有望作為新型海綿材料在吸油等方面發(fā)揮作用。

超彈性纖維素氣凝膠!

力學(xué)性能限制氣凝膠的開發(fā)使用在眾多物理性質(zhì)中,機(jī)械響應(yīng)性質(zhì)是限制氣凝膠發(fā)展的重要因素。目前的研究特別關(guān)注氣凝膠的壓縮性和彈性性質(zhì),因?yàn)樾巫兓謴?fù)能力對(duì)于發(fā)展氣凝膠在水處理、隔熱/聲等方面的應(yīng)用非常關(guān)鍵。雖然關(guān)于超彈性氣凝膠的研究已見報(bào)道,但其復(fù)雜的合成過程以及紡絲加工難度依然限制了超彈性氣凝膠的開發(fā)。

此外,目前的研究也尚未提出設(shè)計(jì)制備各向同性超彈性纖維素納米纖絲(CNF)氣凝膠的有效策略。新型策略制備功能強(qiáng)大的超彈性CNF氣凝膠近期,加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的JiangFeng等人報(bào)道了報(bào)道了一種雙重冰模板組裝(DITA)策略,可以控制CNF的組裝以形成亞微米纖維,并進(jìn)一步組裝形成彈性氣凝膠。

這一氣凝膠不僅可展現(xiàn)各向同性超彈性行為,其通過簡(jiǎn)單改性還可具備超疏水、高液體吸收、自清潔、隔熱以及紅外屏蔽等功能。

研究認(rèn)為,這一新型DITA策略可為超彈性氣凝膠的設(shè)計(jì)提供新的思路,并有望推動(dòng)高性能氣凝膠的應(yīng)用發(fā)展。相關(guān)工作以“Multifunctional Superelastic Cellulose Nanofibrils Aerogel by Dual Ice-Templating Assembly”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

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一、DITA制備超彈性CNF氣凝膠在一般的制備過程,改變冷干條件會(huì)對(duì)氣凝膠的組裝形貌產(chǎn)生巨大的影響。

考慮到這一現(xiàn)象,作者在DITA策略中首先在-196℃下將CNFs(寬度為3-5納米、長(zhǎng)度為500-1000納米)組裝成具有一定彈性的連續(xù)亞微米纖維(寬度為100-200納米);隨后再在-20℃下進(jìn)一步冷干亞微米纖維,使其形成塊體彈性得到顯著強(qiáng)化的分級(jí)層狀纖維結(jié)構(gòu)氣凝膠(圖1)。

氮?dú)馕?解吸附實(shí)驗(yàn)表明,所制得的氣凝膠具有典型的IV型吸附等溫線,其比表面積和孔容可分別達(dá)到34.1 m2g?1和0.133 m3g?1。

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圖1:DITA制備過程示意圖

 

二、超彈性CNF氣凝膠的疏水改性為了提高CNF氣凝膠的溶液穩(wěn)定性和疏水性,作者進(jìn)一步利用甲基三甲氧基硅烷(MTMS)的化學(xué)氣相沉積法對(duì)氣凝膠進(jìn)行改性。

經(jīng)過硅烷改性后,由于存在非極性的甲基基團(tuán),MTMS-CNF氣凝膠展現(xiàn)出了高度疏水性質(zhì),但同時(shí)對(duì)非極性的有機(jī)溶劑依然維持良好的吸收作用。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn),MTMS-CNF氣凝膠的頂面具有高達(dá)164.2°的水分子接觸角,而在側(cè)面甚至內(nèi)部也展現(xiàn)出了高接觸角行為,這表明該改性氣凝膠具有超疏水性質(zhì)和自清潔能力。

憑借這一疏水特性,MTMS-CNF氣凝膠可在水分子上選擇性地移除油分子,從而發(fā)揮油水分離作用(圖2)。

更加深入的液體吸收實(shí)驗(yàn)也表明,該氣凝膠對(duì)多種油類和有機(jī)溶劑均展現(xiàn)出了巨大的吸收能力,其吸收量最高可達(dá)自身重量的489倍之多,在環(huán)境修復(fù)方面具有非常可觀的應(yīng)用前景。

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圖2、MTMS-CNF氣凝膠的疏水和吸油性質(zhì)研究

 

三、性能表現(xiàn)力學(xué)性質(zhì)測(cè)試顯示,MTMS-CNF氣凝膠可被壓縮超過80%的應(yīng)變,展現(xiàn)出了優(yōu)異的柔韌性和非脆性。

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試則表明,在多達(dá)數(shù)十次的循環(huán)后,氣凝膠依然能展現(xiàn)出良好的彈性。

其在50次循環(huán)測(cè)試后,不可恢復(fù)的應(yīng)變低至8.2%,并且最終應(yīng)力可維持在首次循環(huán)的水平,這也說明氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)在循環(huán)測(cè)試結(jié)束后依然得以保留(圖3)。

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圖3、超彈性CNF氣凝膠的力學(xué)性質(zhì)

 

此外,憑借低密度和多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn),該氣凝膠還展現(xiàn)出了優(yōu)異的隔熱性能。

研究顯示,氣凝膠的熱導(dǎo)率與CNF的初始濃度相關(guān),當(dāng)CNF的濃度增加時(shí),氣凝膠中通過固體網(wǎng)絡(luò)的熱傳導(dǎo)也會(huì)增加。

因此,可通過調(diào)整CNF濃度來優(yōu)化氣凝膠的熱導(dǎo)率。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)CNF濃度為0.2%時(shí),所制備的氣凝膠的熱導(dǎo)率可低至0.023 W (mK)?1,甚至低于空氣的熱導(dǎo)率(0.025 W (mK)?1),展現(xiàn)出了良好的隔熱性能(圖4)。

不僅如此,由于低熱導(dǎo)率和多孔結(jié)構(gòu)的存在,這一CNF氣凝膠還可用于抑制紅外傳輸,發(fā)揮紅外屏蔽作用。

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圖4、超彈性CNF氣凝膠的熱學(xué)性質(zhì)

 

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