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清華大學庹新林團隊 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隔熱材料備受關注，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、模量和熱穩定性而受到特別關注。

近期，清華大學化學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芳綸(HA)/芳綸納米纖維(PANF)氣凝膠的皮芯結構復合膜。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，是一種熱力學穩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，經過溶劑置換、干燥過程可以制備得到HA/PANF氣凝膠復合膜。良好的溶液體系可以促進 HA 滲透到下面的多孔結構中，形成界面解釋和互鎖結構。具有類似于PANF的芳族酰胺骨架的 HA 確保了復合材料與PANF氣凝膠基質的潤濕和相容性。通過調節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)的結構提供了良好的熱穩定性，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部的滲透，可避免應用中因吸濕而導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氣凝膠復合膜的制備。比例尺：2cm。HA溶液的濃度和HA/PANF復合膜中HA的比重對復合膜的(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復合膜的表面SEM圖像。(a2-d2) PANF氣凝膠和HA/PANF-m-n復合膜的橫截面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氣凝膠復合薄膜的孔徑分布。(i) 水滴滲透到下面的HA/PANF氣凝膠復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薄膜的代表性應力-應變曲線。(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在吸水狀態下的隔熱測試照片。(d) PANF氣凝膠膜、PANF紙和HA-PANF-m-n的導熱系數。(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結果。

該工作以“The Aramid-Coating-on-Aramid Strategy toward Strong, Tough, and Foldable Polymer Aerogel Films”為題發表在《ACS Nano》上(doi: 10.1021/acsnano.2c04572)。文章第一作者是清華大學化學工程系博士生楊詩煊。該研究得到了國家自然科學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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（責任編輯：xu）

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