2016年11月11日 星期五 09:15:33
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利用三维反应静电纺丝制备可拉伸陶瓷纳米纤维气凝胶

发表时间:2022/5/20

超轻陶瓷气凝胶由于其低密度和导热性、高比表面积、高孔隙率以及化学和热惰性,在热、电、磁、医疗、光学和化学等领域应用广泛。但是传统陶瓷气凝胶脆性较大且加工困难,在较高的外部应力或应变下极易发生结构坍塌,限制了其在航空航天和国防等极端环境中的应用。因此,通过结构设计来改善陶瓷气凝胶的可拉伸性能目前仍存在困难。



近期,东华大学研究团队采用三维反应静电纺丝法合成了一种具有三维交织卷曲纳米纤维结构的陶瓷气凝胶(ICCAs),该气凝胶具有优异的力学性能和热稳定性,为简单、快速、低成本地大规模生产具备复杂形状的陶瓷纳米纤维提供了借鉴。



三维反应静电纺丝由射流中的溶胶—凝胶反应控制,通过调整胶体粒子的质子化程度,可控制溶胶射流的凝胶化速率,在毫秒内实现对射流形状的精确控制。该研究采用高导电率和低黏度的溶胶溶液,通过添加少量高分子聚合物,将锥形液滴的喷射模式改变为多喷射模式,而胶体颗粒之间的凝结不受影响。射流由于高的表面电势被拉长为细长的直射流,形成三维卷曲结构。高反应性的胶体颗粒通过凝结和射流凝固形成高交联且坚固的骨架,抑制了三维卷曲纳米纤维结构的变形和坍塌。最后,将气凝胶前驱体在1000℃的空气中焙烧1h,得到ICCAs。

与传统陶瓷纤维材料的层状结构和传统陶瓷气凝胶的珍珠项链状结构相比,ICCAs具有三维交织卷曲纳米纤维结构,即使在1400℃煅烧后,其仍具有良好的热稳定性。而且,ICCAs可以拉伸和打结而不会出现任何可见的断裂。密度为6 mg/cm3,重量为0.06 g的ICCAs可以承受约自身重量的3300倍而不会断裂。



ICCAs具有优异的拉伸弹性、抗疲劳性能和延展性,可以从初始形态拉伸到100%的拉伸应变而不断裂,拉伸断裂应力为12.7 kPa;在应变为40%的情况下,ICCAs可以承受1000次拉伸—释放循环;在振荡应变为5%的条件下拉伸10万次后,其储能模量、损耗模量和阻尼比基本保持不变;在1300℃焙烧1h后,ICCAs仍能表现出极好的延展性,拉伸应变高达48.3%。



兼具低导热性、高度可拉伸性和柔韧性的ICCAs可以在极端环境下作为隔热材料应用,而且制备简单。通过中试装置,可以在1h内方便、快速地制备出长170 cm、宽130 cm、高12 cm、重313 g的陶瓷纳米纤维气凝胶前驱体。



ICCAs具备超轻、隔热、坚固的结构稳定性、拉伸性和耐疲劳性等特点,在个人防护设备、太空飞行器热防护系统和柔性可穿戴电子设备方面具备潜在适用性。相关工作以“Direct synthesis of highly stretchable ceramic nanofibrous aerogels via 3D reaction electrospinning”为题发表在《Nature Communications》上。


(来源:纺织导报官微)