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天科大馬曉軍教授 AFM:具有類(lèi)承重結(jié)構(gòu)的高彈、耐水的纖維素基氣凝膠
2024-10-21  來(lái)源:高分子科技

  石油基發(fā)泡緩沖材料(如EPS、EPE)因生產(chǎn)成本低、工藝成熟、性能穩(wěn)定和機(jī)械性能優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)器材、運(yùn)輸包裝、建筑材料等領(lǐng)域。然而,隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和人口增長(zhǎng),能源危機(jī)和環(huán)境污染已成為日益突出的問(wèn)題。石油基泡沫材料的不可降解性已成為阻礙可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)之一。因此,減少對(duì)傳統(tǒng)石油基材料的依賴(lài),轉(zhuǎn)而追求具有卓越性能的環(huán)保可再生替代品正在成為科研界和工業(yè)界的共同目標(biāo)。


  纖維素作為最豐富和可再生的天然聚合物之一,具有生物相容性、可降解性和廣泛的來(lái)源等優(yōu)點(diǎn),使其成為最有可能替代傳統(tǒng)石油基材料的優(yōu)勢(shì)。由其延伸的纖維素基氣凝膠材料具有令人滿(mǎn)意的可持續(xù)性、孔隙率和彈性,是替代傳統(tǒng)石油基泡沫的有前途的材料。然而,親水纖維之間形成的粘性聚集和弱支撐力引起的孔隙塌陷對(duì)其進(jìn)一步應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。



  近日,天津科技大學(xué)馬曉軍教授課題組創(chuàng)新性地合成了一種孔規(guī)整化的纖維素基氣凝膠,它通過(guò)表面界面調(diào)制來(lái)使氣凝膠獲得類(lèi)承重結(jié)構(gòu),賦予氣凝膠卓越的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)械彈性和耐水性。具體來(lái)說(shuō),纖維素和聚乙烯醇通過(guò)非定向冷凍干燥形成交織骨架。至關(guān)重要的是,體系中的鼠李糖脂表面活性劑促使聚合物網(wǎng)絡(luò)形成穩(wěn)定均勻的氣泡,并在冷凍過(guò)程中驅(qū)動(dòng)框架結(jié)構(gòu)的規(guī)整化,促進(jìn)精細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。相比于先前定向冷凍技術(shù)驅(qū)動(dòng)的冰模板法,該方法避免的對(duì)于冷凍源和模具的嚴(yán)格調(diào)控,更適用于簡(jiǎn)單高效制造。此外,通過(guò)檸檬酸酯化反應(yīng)的界面增強(qiáng)和疏水性硅烷通過(guò)化學(xué)氣相沉積的包封使氣凝膠具有更好的回彈性和水下耐久性。


  結(jié)果表明,氣凝膠可以承受密集的壓縮循環(huán)測(cè)試,并具有超過(guò) 10 次的水下回彈能力。濕環(huán)境下,在 80% 壓縮 500 次循環(huán)后,應(yīng)變損失和應(yīng)力損失與初始?xì)饽z相比分別降低了~55.5%和~14%。應(yīng)用上,在模擬道路運(yùn)輸包裝應(yīng)用中,它們具有超越發(fā)泡聚苯乙烯 (EPS) 和發(fā)泡聚乙烯 (EPE) 的出色緩沖性能,表明了其在綠色運(yùn)輸緩沖包裝領(lǐng)域的前景。


1 受承重結(jié)構(gòu)啟發(fā)的 S-RCCP 氣凝膠的設(shè)計(jì)和制造


圖2 氣凝膠形貌和結(jié)構(gòu)表征


圖3 氣凝膠的力學(xué)性能表征。


圖4. 氣凝膠的疏水和耐水特性


圖5. 氣凝膠與 EPE 和 EPS 的緩沖性能和模擬運(yùn)輸緩沖包裝應(yīng)用的比較


  該工作以“Load-Bearing Structure Inspired Cellulose-Based Aerogel With High Resilience and Water Tolerance”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生宋萬(wàn)龍與碩士畢業(yè)生潘嘯森(現(xiàn)西安交通大學(xué))為共同第一作者,輕工學(xué)院馬曉教授與青海理工學(xué)院工學(xué)院尹芬副教授為共同通訊作者。天津科技大學(xué)為第一兼通訊單位。該工作受到天津市自然科學(xué)基金(23JCZDJC00620)、青海理工學(xué)院“昆侖人才”引才研究項(xiàng)目基金(2023-QLGKLYCZX-020)和海南省自然科學(xué)基金(324MS086)資助與支持。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202415937

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