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清華大學(xué)庹新林團(tuán)隊(duì) ACS Nano：芳綸涂覆芳綸策略制備強(qiáng)、韌、可折疊的聚合物氣凝膠膜

2022-08-26 來(lái)源：高分子科技

氣凝膠作為一種新興的輕質(zhì)隔熱材料備受關(guān)注，但易碎、強(qiáng)度低、透液性和柔韌性不足等問(wèn)題極大地限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。其中，芳族酰胺等高性能聚合物的氣凝膠和聚酰亞胺由于基體的高比強(qiáng)度、模量和熱穩(wěn)定性而受到特別關(guān)注。

近期，清華大學(xué)化學(xué)工程系庹新林副研究員團(tuán)隊(duì)展示了一種芳綸涂覆芳綸策略來(lái)制備雜環(huán)芳綸(HA)/芳綸納米纖維(PANF)氣凝膠的皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合膜。PANF氣凝膠基底膜來(lái)自于PANF水凝膠膜的冷凍干燥。通過(guò)低溫溶液共縮聚制備的HA溶液，是一種熱力學(xué)穩(wěn)定的均相聚合物溶液，通過(guò)簡(jiǎn)單的表面涂層策略直接施加到 PANF 氣凝膠的表面上，經(jīng)過(guò)溶劑置換、干燥過(guò)程可以制備得到HA/PANF氣凝膠復(fù)合膜。良好的溶液體系可以促進(jìn) HA 滲透到下面的多孔結(jié)構(gòu)中，形成界面解釋和互鎖結(jié)構(gòu)。具有類似于PANF的芳族酰胺骨架的 HA 確保了復(fù)合材料與PANF氣凝膠基質(zhì)的潤(rùn)濕和相容性。通過(guò)調(diào)節(jié)HA溶液的粘度可用于控制涂層的厚度和聚合物的滲透深度。重要的是，HA涂層不僅顯著提高了氣凝膠復(fù)合薄膜的比強(qiáng)度和模量，而且具有良好的柔韌性，在表面剝離試驗(yàn)和折疊試驗(yàn)后可保持完整的形狀。全芳綸(HA+PANF)的結(jié)構(gòu)提供了良好的熱穩(wěn)定性，材料的分解溫度高于530 °C。雖然HA的負(fù)載稍微提高了材料的密度和熱導(dǎo)率，但都保持在與PANF氣凝膠相同的低水平。值得注意的是，HA致密的表層能有效抑制液體在氣凝膠內(nèi)部的滲透，可避免應(yīng)用中因吸濕而導(dǎo)致的隔熱性能的下降。

圖1. (a) 通過(guò)PPD、APBZ與TPC的低溫溶液縮聚制備HA共聚物。(b) HA/PANF氣凝膠復(fù)合膜的制備。比例尺：2cm。HA溶液的濃度和HA/PANF復(fù)合膜中HA的比重對(duì)復(fù)合膜的(c)密度、(d)孔隙率和(e)體積收縮率的影響。

圖2. (a1-d1) PANF 氣凝膠和 HA/PANF-m-n復(fù)合膜的表面SEM圖像。(a2-d2) PANF氣凝膠和HA/PANF-m-n復(fù)合膜的橫截面SEM圖像。(a，PANF氣凝膠膜；b，HA/PANF-3.7-180；c，HA/PANF-10.6-210；d，HA/PANF-18.4-240)。(e) PANF 氣凝膠和(f) HA/PANF-18.4-240 在高放大倍率下的表面SEM 圖像。(g) PANF氣凝膠和HA/PANF氣凝膠復(fù)合膜的代表性氮吸附-解吸等溫線。(h) PANF氣凝膠和HA/PANF氣凝膠復(fù)合薄膜的孔徑分布。(i) 水滴滲透到下面的HA/PANF氣凝膠復(fù)合膜中時(shí)接觸角變化示意圖。(j) PANF氣凝膠和HA/PANF-m-n氣凝膠復(fù)合材料水接觸角度的實(shí)時(shí)演變。

圖3. (a) PANF 氣凝膠薄膜和 (b) HA/PANF-18.4-240 的折疊、釋放過(guò)程和剝離結(jié)果的照片。比例尺：2 cm。(c) PANF氣凝膠和HA/PANF-m-n薄膜的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(d) PANF 氣凝膠和 HA/PANF-m-n 薄膜的斷裂韌性。(e) PANF氣凝膠和 (f) HA/PANF-18.4-240薄膜上失效表面的SEM圖像。(g) HA/PANF-18.4-240的橫截面視圖中的失效表面的 SEM 圖像。(h) HA/PANF-18.4-240與同類氣凝膠的比強(qiáng)度和比模量比較。

圖4. (a1) 打印紙、(a2) PANF紙和 (a3) HA/PANF-18.4-240 的隔熱性能測(cè)試照片。(b1) 打印紙、(b2) PANF 紙和 (b3) HA/PANF-18.4-240 在120 °C油浴中的隔熱測(cè)試照片。(c) PANF氣凝膠膜和HA/PANF-18.4-240在吸水狀態(tài)下的隔熱測(cè)試照片。(d) PANF氣凝膠膜、PANF紙和HA-PANF-m-n的導(dǎo)熱系數(shù)。(e) PANF氣凝膠和HA-PANF-m-n薄膜的TGA曲線。(f) PANF氣凝膠和 HA-PANF-m-n 薄膜在1 Hz 頻率下溫度掃描的DMA結(jié)果。

該工作以“The Aramid-Coating-on-Aramid Strategy toward Strong, Tough, and Foldable Polymer Aerogel Films”為題發(fā)表在《ACS Nano》上(doi: 10.1021/acsnano.2c04572)。文章第一作者是清華大學(xué)化學(xué)工程系博士生楊詩(shī)煊。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等多項(xiàng)資金的資助。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c04572

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（責(zé)任編輯：xu）

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