2016年11月11日 星期五 09:15:33
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一种更加轻质高强的芳纶气凝胶

发表时间:2022/8/4

密度低、孔隙率高、比表面积大的气凝胶被认为是未来非常具有应用前景的材料。由纤维基元组装而成的多孔网络结构代表了一种高效的材料结构设计,但是,将气凝胶制成纤维材料后,其机械性能较弱,制造工艺复杂,应用受到限制。



近日,香港大学研究团队制备了一种由芳纶纳米纤维(ANF)构筑的复合纳米纤维气凝胶(CNA),CNA优异的力学性能、孔隙率和可加工性能使其在柔性可穿戴设备、能源系统、生物医学设备等领域有很高的潜在应用价值。

研究人员将ANF分散在溶有聚乙烯醇(PVA)的二甲亚砜(DMSO)中,在与乙醇交换溶剂后进行临界点干燥(CPD),形成了具有纳米孔隙的气凝胶。得益于ANF和PVA之间的氢键作用,所得气凝胶具有独特的微观结构特征:ANFs和PVA链之间的吸引力可能导致三维网络中纳米纤维的捆绑和连接;气凝胶中的PVA会顺着纳米纤维网络提供具有高机械强度的“焊接”节点;氢键的重新配置可以提供应力诱导的纳米纤维取向,从而制备出各向异性气凝胶。另外,得益于简要的加工过程,该气凝胶可被制成各种形状,且在压缩和拉伸载荷下,可以承受比其自身重量高25000倍(压缩)和40000倍(拉伸)的机械载荷而不会断裂或严重变形。



CNA的拉伸模量和强度都随着孔隙率的降低而增加,在孔隙率为76%时达到187.6 MPa的高模量和6.3 MPa的强度,断裂能与天然橡胶相当。CNA独特的力学特征源于纳米纤维接头处的连接和“焊接”,研究者研究了随机3D网络的连通性和节点力学如何影响材料的宏观特性,模拟结果显示,网络的抗压刚度随着节点连通性的增加而急剧增加;在拉伸过程中的初始线性阶段后,网络出现了显著的应变软化,表明具有高连通性的网络允许能量耗散,同时保持了结构完整性。



CNA可以作为膜器件进行应用。例如,其孔隙率能够实现选择性传质和空气过滤,厚度约为20μm的CNA膜表现出良好的透气性;用于可穿戴电子设备时,导电油墨可以渗入CNA的多孔结构中以生成电极和互连图案。此外,CNA膜的低导热性和高红外吸收可以在可穿戴配置中实现热隐身。



相关工作以“Ultrastrong and multifunctional aerogels with hyperconnective network of composite polymeric nanofibers”为题发表在《Nature Communication》。