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

2022-08-26 來源：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、強度低、透液性和柔韌性不足等問題極大地限制了進一步的應(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隊展示了一種芳綸涂覆芳綸策略來制備雜環(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氣凝膠基底膜來自于PANF水凝膠膜的冷凍干燥。通過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，通過簡單的表面涂層策略直接施加到 PANF 氣凝膠的表面上，經(jīng)過溶劑置換、干燥過程可以制備得到HA/PANF氣凝膠復(fù)合膜。良好的溶液體系可以促進 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)的潤濕和相容性。通過調(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)合薄膜的比強度和模量，而且具有良好的柔韌性，在表面剝離試驗和折疊試驗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時演變。

圖3. (a) PANF 氣凝膠薄膜和 (b) HA/PANF-18.4-240 的折疊、釋放過程和剝離結(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)工程系博士生楊詩煊。該研究得到了國家自然科學(xué)基金等多項資金的資助。

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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