清華大學庹新林課題組將對位芳綸纖維制備成氣凝膠材料

對位芳綸纖維作為一種高性能的材料,具備高強、高模、耐腐蝕及耐熱性好等優點,在國防及民用等領域都有著廣泛的應用。將對位芳綸制備成氣凝膠材料,有望拓寬對位芳綸的應用范圍。但是對位芳綸分子鏈之間的相互作用力較強,加工性能較差,因而限制瞭其在氣凝膠等領域的應用。目前已有基於相分離法等方法制備對位芳綸氣凝膠材料的研究,然而其存在制備過程冗長、大量使用有機溶劑或樣品發生形變、力學性能較差等缺點,且不適用於大規模的生產及應用。

近期,清華大學化工系高分子所的庹新林副研究員課題組在之前工作的基礎上,首先在非活性表面活性劑(聚乙二醇二甲醚)的輔助下制備瞭對位芳綸納米纖維(aramid nanofiber,ANF),再通過“抽濾輔助自組裝”與“冰模板定向冷凍”相結合的自下而上組裝方法,成功將一維ANF組裝為三維ANF氣凝膠(圖1)。該ANF氣凝膠具備應用於吸附、高溫過濾、阻燃、保溫及阻尼等領域的潛能,其制備方法對於三維有序氣凝膠等材料的制備具有借鑒意義。

​清華大學庹新林課題組將對位芳綸纖維制備成氣凝膠材料

圖1.ANF氣凝膠的制備步驟

抽濾輔助自組裝技術一般用於二維薄膜等材料的制備,冰模板定向冷凍則是制備三維有序氣凝膠等材料的常用方法。將二者結合可以發揮抽濾形成的多層結構在冰晶生長中的作用,使冰晶在生長過程中可以更好地沿著多層結構有序生長。二者對ANF由一維到三維的組裝示意圖如圖2所示。

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圖2.抽濾輔助自組裝&冰模板定向冷凍示意圖

在兩種工藝之後,通過冷凍幹燥,即可獲得ANF氣凝膠。ANF氣凝膠具備各向異性及多層結構(圖3)。由於冰晶可以更規則地沿著抽濾形成的多層結構有序生長,氣凝膠內部的片層有序程度可以達到1cm以上。

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圖3.ANF氣凝膠的微觀結構:(a)ANF氣凝膠的截面圖(cross-sectional view,xz-plane);(b)圖a細節;(c)ANF氣凝膠的俯視圖(top-down view,xy-plane);(d)圖c細節;(e)圖a中的層間距統計;(f)片層之間的橋接現象(“bridge”phenomenon);(g)長程有序的層狀結構.

ANF氣凝膠符合傳統氣凝膠輕質、高孔隙率等的特征:密度為25±2 mg/cm3,孔隙率為98.2±0.1%,比表面積為62.88±0.50m2/g。結合對位芳綸耐熱性好、力學性能優異等特點,ANF氣凝膠表現出良好的綜合性能。其耐熱性優異,分解溫度可達500°C。ANF氣凝膠各項異性的結構賦予氣凝膠各項異性的機械性能和導熱系數。氣凝膠的徑向(片層取向方向)具有較高的壓縮強度高,高於文獻中已報道的多種氣凝膠;軸向(垂直片層取向方向)具有良好的回彈性,在1000次的壓縮-釋放循環後(應變30%)可保持95%的應力保持率。ANF氣凝膠在室溫下的軸向導熱系數為0.0372±0.0004 W/(m·K),200°C下的導熱系數為0.1056±0.0011 W/(m·K)。

這一成果近期以“From Monomers to a Lasagna-like Aerogel Monolith:An Assembling Strategy for Aramid Nanofibers”為題發表在ACS Nano(DOI:10.1021/acsnano.9b01955)上,論文的通訊作者為庹新林副研究員和北京化工大學材料科學與工程學院邱藤副研究員。該研究得到瞭國傢973計劃項目(2011CB606102)和清華大學(化工系)-黃河三角洲京博化工研究院有限公司–高性能高分子材料聯合研究中心基金等的大力支持。

另外,該團隊近幾年在納米芳綸纖維的制備及應用領域取得一系列研究進展,其中部分研究成果發表在RSC Adv.2016,6,26599-26605;J.Appl.Polym.Sci.2016,133,43623;Mater.Lett.2017,202,158-161;J.Appl.Polym.Sci.2018,135,46697等雜志上。所研發成果可廣泛應用於絕緣紙、鋰離子電池隔膜等諸多領域。

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