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    東華大學肖茹教授團隊《ACS Nano》:表面潤濕性可控的有機-無機復合納米纖維氣凝膠
    2020-07-22  來源:高分子科技

      纖維基氣凝膠材料因其獨特性能及在過濾吸附、隔熱阻燃和智能傳感等領域的應用成為當前研究熱點。目前,納米纖維氣凝膠的基元材料多為纖維素納米纖維或靜電紡納米纖維。而熱塑性高聚物材料因其物理和化學穩定性好、熔融加工相對簡單等優點廣泛應用于社會經濟中的各行各業。因此,設計構筑基于熱塑性高聚物納米纖維氣凝膠材料及實現其性能可調控對豐富氣凝膠的構筑基元材料及其應用領域具有重要借鑒意義。


      日前,東華大學肖茹教授團隊利用熔融共混擠出相分離法將熱塑性高聚物樹脂纖維化、納米化,通過冷凍干燥和化學原位交聯構筑力學性能良好的乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)納米纖維氣凝膠,并以其為模版,三甲基鋁(TMA)和水為鋁源、氧源,經原子層氣相沉積(ALD)于氣凝膠表面引入氧化鋁(Al2O3)顆粒,制備表面潤濕性可控的有機-無機復合納米纖維氣凝膠。


    圖1. 有機-無機復合納米纖維氣凝膠的制備示意圖


      通過改變ALD循環次數可調控氣凝膠中納米纖維的表面形貌,其表面粗糙度隨著ALD循環次數的增加呈現先增加后減小的趨勢,與此同時復合納米纖維氣凝膠的表面呈現親水-疏水-親水的變化,其表面潤濕性由納米纖維的表面幾何形貌和Al2O3沉積物含量共同控制。較少的ALD循環可以使氣凝膠內部和外部均具備超疏水性。對于同一材料,通過該方法可制備具有兩種不同表面特性的材料體系。


    圖2. 有機-無機復合納米纖維氣凝膠的表面潤濕性:(a)有機-無機復合納米纖維氣凝膠的表面水接觸角,氣凝膠(b)水接觸角值和(c)吸水率隨時間的變化,(d)浸泡腐蝕性、鹽、有機溶液后6cy-ALD氣凝膠的水接觸角值(e)6cy-ALD氣凝膠表面染色的水滴和油滴,(f)染色水滴在6cy-ALD氣凝膠的內部


      氣凝膠材料良好的壓縮回彈性是延長其使用壽命的重要保障。Al2O3顆粒的沉積有利于提升氣凝膠的壓縮強度,經100次ALD改性,復合氣凝膠的壓縮應力和楊氏模量分別由31.13和5.54 kPa提高至176.11和33.27 kPa。其中6cy-ALD氣凝膠展現良好的回彈性和耐壓性,經500次循環壓縮,依舊能保持85%以上的壓縮應力和74%以上的楊氏模量,塑性形變僅為19.05%。


    圖3. 氣凝膠的力學性能:不同ALD循環次數氣凝膠的(a)壓縮應力-應變曲線(應變為80%),(b)最大應力和楊氏模量,(c)6cy-ALD氣凝膠不同應變時的應力-應變曲線(應變為40%,60和80%),(d)6cy-ALD氣凝膠循環壓縮應力-應變曲線(應變為60%),循環壓縮對應的(e)最大應力和楊氏模量和(f)能量損耗和能量損耗系數


      經多次ALD處理,可獲得核殼結構的復合納米纖維氣凝膠。通過高溫熱解去除其中的核結構——EVOH納米纖維,而氣凝膠的多孔結構和熱穩定性優異的Al2O3涂層得以保留,則獲得了脆性自支撐Al2O3納米管氣凝膠,其內徑與EVOH納米纖維的直徑基本相同。通過測量Al2O3涂層的厚度計算獲得ALD的沉積速率為1.05 ?/cycle。該工作為熱塑性高聚物納米纖維衍生材料的設計和應用拓寬思路。


    圖4. (a)復合納米纖維氣凝膠的熱重分析圖,熱解前后(b)50、(c)70和(d)100cy-ALD氣凝膠樣品照片,(e)無機中空納米管的制備示意圖,(f)100-cy中空納米管氣凝膠的場發射掃描電鏡圖,中空Al2O3納米管的(g)掃描電鏡和(h)透射電鏡圖片


      以上成果以’Atomic Layer Deposition onto Thermoplastic Polymeric Nanofibrous Aerogel Templates for Tailored Surface Properties’為題發表于ACS Nano,論文的第一作者為東華大學材料學院博士生陸建偉,通訊作者為肖茹教授,共同通訊作者為佐治亞理工學院的Karl I. Jacob教授,其它作者還包括李羿宋煒Mark D. Losego教授Rebhadevi Monikandan


      原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09497

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