Advanced Functional Materials:面向极端环境的有机无机杂化纤维复合气凝胶

近日,东华大学朱美芳院士研究团队在有机无机杂化纳米纤维领域取得了最新研究进展,相关工作以 Hierarchical Interface Engineering for Advanced Nanocellulosic Hybrid Aerogels with High Compressibility and Multifunctionality为题,发表于《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202009349), 该论文第一作者是东华大学材料学院博士后张君妍,朱美芳院士和成艳华副研究员为共同通讯作者,中科院江雷院士共同指导。

(图1.纤维素-氧化硅杂化气凝胶制备流程图及组装与矿化原理)

(图2.纤维素-氧化硅杂化气凝胶结构稳定性及回弹性能)

近年来,研究小组以有机/无机杂化功能分子作为结构和功能单元,通过物理或化学键诱导其与高分子网络异质组装,以功能为导向,基于有机/无机跨尺度杂化理念,通过“分子杂化制备-介观杂化组装-宏观杂化集成”多层级全链条杂化设计,发展材料微观三维结构设计调控新方法,获得新一代功能纤维复合材料和全柔性智能系统(ACS Nano, 2021, 15, 1397; ACS Nano, 2020, 14, 2090; Natl. Sci. Rev. 2020, nwaa135; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1806407; Adv. Mater., 2017, 1703900; Adv. Funct. Mater., 2016, 9, 1338; Adv. Energy Mater., 2014, 141207; J. Mater. Chem. A, 2017, 27, 13944; Mater. Horiz., 2019, 6, 405)。

基于研究组提出的有机无机多尺度多维度杂化理论和近年的工作基础,围绕国家新型战略性材料发展,以高度多孔的轻质柔性隔热材料为研究目标,针对关乎国计民生的柔性纤维隔热材料在极端复杂环境下(高压应力、高湿度、高/低温等)面临的巨大挑战,以天然的细菌纤维素(BC)纳米纤维和甲基三甲氧基硅烷为原料,创新性提出“冷冻诱导组装和干燥驱动矿化”自下而上一体化制备新方法,简化合成工艺,在形成高度多孔的三维网络结构的同时,硅醇在纤维素纳米纤维网络间自缩聚形成强交联点,获得聚甲基倍半硅氧烷(PMSQ)纳米层包覆纤维素纳米纤维网络的杂化气凝胶材料(图1)。纤维胞状孔结构、“软-硬”协同的纳米骨架单元及骨架单元间强交联点和表面大量的Si-CH3基团赋予了纳米纤维杂化气凝胶结构稳定性和超弹性能:1) 在微米尺度,胞状大孔结构及其内部缠结的纳米纤维孔壁可有效耗散内应力;2) 在纳米尺度,PMSQ包裹的有机BC纳米纤维实现复合纤维骨架单元软且强的机械性能;同时,PMSQ作为纳米纤维间的强交联点可进一步稳定纳米纤维网络结构;3) 在分子尺度,PMSQ表面大量的Si-CH3基团带来复合气凝胶优异的回弹效应和超疏水特性。

这一多尺度杂化结构赋予气凝胶材料优异的环境适应性。当密度为5.74 mg cm-3,PMSQ质量分数为50.6%,纳米纤维杂化气凝胶可回复弹性形变高达99%,在承受高于其本身质量3.5×107倍重物(汽车)的碾压后依然可以回复原状,且在-196~200 oC宽温度范围内都具有稳定的弹性性能(图2);高度开孔的结构(孔隙率为99.59%)和纳米复合纤维结构表面大量的Si-CH3基团赋予杂化气凝胶超疏水特性,水接触角高达167.5°,并具有高效油水分离效果及优异的循环吸油稳定性,可应用于环境污染物处理等领域;由于高度多孔的结构和超疏水特征,当湿度从30%增加到90%,纳米纤维杂化气凝胶热导率值变化范围为29.26~29.64 mW m-1 K-1,隔热性能保持稳定。表明即使在高湿度环境下,纳米复合纤维气凝胶依然具有稳定的隔热性能,可应用于极端户外个人热防护领域。基于这一优异的纳米纤维弹性平台,原位添加氧化石墨烯导电纳米粒子,可以获得具有高灵敏度的压力传感系统,在能源传感领域具有极大的应用前景。