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      1. 2016年11月11日 星期五 09:15:33
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        一種更加輕質高強的芳綸氣凝膠

        發表時間:2022/8/4

        密度低、孔隙率高、比表面積大的氣凝膠被認為是未來非常具有應用前景的材料。由纖維基元組裝而成的多孔網絡結構代表了一種高效的材料結構設計,但是,將氣凝膠制成纖維材料后,其機械性能較弱,制造工藝復雜,應用受到限制。



        近日,香港大學研究團隊制備了一種由芳綸納米纖維(ANF)構筑的復合納米纖維氣凝膠(CNA),CNA優異的力學性能、孔隙率和可加工性能使其在柔性可穿戴設備、能源系統、生物醫學設備等領域有很高的潛在應用價值。

        研究人員將ANF分散在溶有聚乙烯醇(PVA)的二甲亞砜(DMSO)中,在與乙醇交換溶劑后進行臨界點干燥(CPD),形成了具有納米孔隙的氣凝膠。得益于ANF和PVA之間的氫鍵作用,所得氣凝膠具有獨特的微觀結構特征:ANFs和PVA鏈之間的吸引力可能導致三維網絡中納米纖維的捆綁和連接;氣凝膠中的PVA會順著納米纖維網絡提供具有高機械強度的“焊接”節點;氫鍵的重新配置可以提供應力誘導的納米纖維取向,從而制備出各向異性氣凝膠。另外,得益于簡要的加工過程,該氣凝膠可被制成各種形狀,且在壓縮和拉伸載荷下,可以承受比其自身重量高25000倍(壓縮)和40000倍(拉伸)的機械載荷而不會斷裂或嚴重變形。



        CNA的拉伸模量和強度都隨著孔隙率的降低而增加,在孔隙率為76%時達到187.6 MPa的高模量和6.3 MPa的強度,斷裂能與天然橡膠相當。CNA獨特的力學特征源于納米纖維接頭處的連接和“焊接”,研究者研究了隨機3D網絡的連通性和節點力學如何影響材料的宏觀特性,模擬結果顯示,網絡的抗壓剛度隨著節點連通性的增加而急劇增加;在拉伸過程中的初始線性階段后,網絡出現了顯著的應變軟化,表明具有高連通性的網絡允許能量耗散,同時保持了結構完整性。



        CNA可以作為膜器件進行應用。例如,其孔隙率能夠實現選擇性傳質和空氣過濾,厚度約為20μm的CNA膜表現出良好的透氣性;用于可穿戴電子設備時,導電油墨可以滲入CNA的多孔結構中以生成電極和互連圖案。此外,CNA膜的低導熱性和高紅外吸收可以在可穿戴配置中實現熱隱身。



        相關工作以“Ultrastrong and multifunctional aerogels with hyperconnective network of composite polymeric nanofibers”為題發表在《Nature Communication》。


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