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香港大學(xué)徐立之課題組《Nat. Commun.》: 基于聚合物納米纖維超連接網(wǎng)絡(luò)的超強(qiáng)多功能氣凝膠
2022-07-25  來(lái)源：高分子科技

  自然界生物廣泛利用微纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑高效的承重組織結(jié)構(gòu)，并啟發(fā)人們對(duì)于輕質(zhì)，高強(qiáng)的多功能氣凝膠的開(kāi)發(fā)和利用。其中包括：基于增材制造技術(shù)制備具有理想力學(xué)性質(zhì)的超材料，但缺乏大批量生產(chǎn)的能力；溶膠-凝膠法制備高硬度的無(wú)機(jī)氣凝膠，但其不具備大尺度的形變能力；聚合物纖維的自組裝制備仿生的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但由于纖維之間缺乏有效的相互作用，目前仍然難以合成高力學(xué)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。仿造自然界的結(jié)構(gòu)材料，人工合成高力學(xué)性能的三維微纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍然面臨挑戰(zhàn)。



  近日，香港大學(xué)機(jī)械工程系徐立之教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于芳綸納米纖維和聚乙烯醇自主裝形成的復(fù)合納米纖維網(wǎng)絡(luò)超強(qiáng)氣凝膠。在納米尺度下，由于構(gòu)成纖維網(wǎng)絡(luò)的高分子間的相互作用，纖維和纖維之間形成的節(jié)點(diǎn)具有很高的強(qiáng)度和連接度，賦予了該復(fù)合納米纖維氣凝膠理想的硬度和強(qiáng)度。并且在大尺度形變下，節(jié)點(diǎn)的持續(xù)斷裂提供了大量的能量耗散，使得該氣凝膠的斷裂能（~4700 J/m2）比一般氣凝膠高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在Maxwell 樞接框架結(jié)構(gòu)中加入纖維的屈曲，纖維之間的轉(zhuǎn)動(dòng)和分離阻力，以及節(jié)點(diǎn)的斷裂條件，有效模擬和預(yù)測(cè)這種微纖維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的力學(xué)性質(zhì)，并揭示了纖維之間的高連接度對(duì)材料整體力學(xué)性能的關(guān)鍵性作用。此外，作者通過(guò)簡(jiǎn)單的加工技術(shù)，制備了各種功能結(jié)構(gòu)，證明該材料在空氣濾膜，可穿戴電子器件和熱隱身方面的應(yīng)用潛力。該工作以“Ultrastrong and multifunctional aerogels with hyperconnective network of composite polymeric nano?bers” 為題發(fā)表在《Nature Communications》（Nat. Commun. 13, 4242 （2022））。文章的共同通訊作者是香港大學(xué)機(jī)械工程系徐立之教授和香港大學(xué)機(jī)械工程系林原教授。共同第一作者為博士研究生何慧敏和博士后研究員魏茜。

 


圖1，氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)


  制備過(guò)程如下：芳綸納米纖維和聚乙烯醇分散在DMSO中，經(jīng)過(guò)溶劑交換和超臨界干燥，高分子之間由于強(qiáng)氫鍵相互作用收縮形成了具有高節(jié)點(diǎn)連接度的納米纖維網(wǎng)絡(luò)。由于可逆的氫鍵相互作用，非取向纖維網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)力學(xué)誘導(dǎo)形成取向結(jié)構(gòu)。通過(guò)簡(jiǎn)單的成型工藝，制備了塊狀和半透明薄膜狀的氣凝膠樣品。該氣凝膠材料可以承受超自身重量數(shù)萬(wàn)倍以上的載荷。簡(jiǎn)單的合成方法可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高強(qiáng)度氣凝膠的高效制備。



圖2，力學(xué)性能表征和對(duì)比


  力學(xué)測(cè)試表明該氣凝膠在76%孔隙率的條件下具有187.6 MPa的拉伸模量，6.3 MPa的拉伸強(qiáng)度和~4700 J/m2的斷裂能。經(jīng)過(guò)取向的氣凝膠在沿著取向的方向具有4.3 GPa的拉伸模量和89.3 MPa的強(qiáng)度，這分別比垂直取向方向高出了4.2和3.7倍。這些力學(xué)性能遠(yuǎn)高于已報(bào)道的其他氣凝膠體系，說(shuō)明其微觀尺度的結(jié)構(gòu)對(duì)于其力學(xué)性能的重要意義。

 


圖3，纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的模型構(gòu)建和理論模擬


  通過(guò)建立面心立方網(wǎng)格并對(duì)其中纖維段的隨機(jī)刪除，來(lái)調(diào)控模型中纖維網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接度。理論模擬展示了高連接度對(duì)納米纖維網(wǎng)絡(luò)力學(xué)性能的關(guān)鍵性作用。該模型考慮了纖維網(wǎng)絡(luò)在形變過(guò)程中纖維的屈曲，纖維之間的轉(zhuǎn)動(dòng)和分離阻力，以及節(jié)點(diǎn)的斷裂。該模型很好得符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并表明了節(jié)點(diǎn)的連接度和強(qiáng)度對(duì)纖維網(wǎng)絡(luò)力學(xué)性能的重要作用。該研究結(jié)論不僅從微觀結(jié)構(gòu)角度解釋了該納米纖維網(wǎng)絡(luò)氣凝膠優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，并對(duì)高強(qiáng)纖維網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供了思路。

 


圖4，材料在空氣濾膜，可穿戴電子器件和熱隱身方面的應(yīng)用


  基于該氣凝膠優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，以及其對(duì)紅外光的吸收特征和氣凝膠本身的多孔和隔熱性質(zhì)，該氣凝膠的膜材料可以應(yīng)用在對(duì)空氣中微生物和粉塵的過(guò)濾，成為可穿戴電子器件的結(jié)構(gòu)支撐材料，作為有效的隔熱材料并在某些條件下用于有效屏蔽人體發(fā)出的紅外信號(hào)。從工程學(xué)的角度，該氣凝膠由于其優(yōu)異的力學(xué)特性，多孔以及可加工性，還可應(yīng)用于航空航天，能量開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)存，生物醫(yī)用等領(lǐng)域，并且對(duì)新材料的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新提供機(jī)會(huì)。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31957-2

  課題組主頁(yè)：https://xulizhi.hku.hk

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