清華庹新林/北化邱藤:改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠
【科研摘要】

氣凝膠作為一種低密度、高孔隙率的材料而廣為人知,與冷凍干燥或超臨界干燥等復(fù)雜的加工方法密切相關(guān)。最近,清華大學(xué)庹新林副教授/北京化工大學(xué)邱藤副研究員以聚合誘導(dǎo)的芳綸納米纖維(PANF)為基礎(chǔ),提出了一種改進的冷凍干燥方法,用于高效制備全對芳酰胺氣凝膠。在制備過程中,PANF水凝膠首先在-18°C冷凍,然后在20-150°C干燥以形成PANF氣凝膠。在冷凍過程中形成的 PANF 框架對于 PANF 氣凝膠的形成至關(guān)重要。

清華庹新林/北化邱藤:改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠
此外,冰晶的占位效應(yīng)也有助于氣凝膠中宏觀孔隙結(jié)構(gòu)的形成。通過這種方法可以成功獲得大尺寸或形狀控制良好的氣凝膠。通過水凝膠中PANF濃度和干燥溫度的變化,可以獲得不同密度(20-185 mg/cm3)的氣凝膠,在150°C時密度最低,PANF濃度為0.7%。低密度 PANF 氣凝膠顯示出高比壓縮強度和低熱導(dǎo)率,可與冷凍干燥或超臨界干燥方法產(chǎn)生的結(jié)果相媲美。此外,干燥過程中的收縮現(xiàn)象可以巧妙地用于制備PANF氣凝膠涂層物體。PANF氣凝膠在實際應(yīng)用中可用作隔熱材料或減震材料。相關(guān)論文以題為Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing–Drying Method發(fā)表在《ACS Nano》上。

【主圖導(dǎo)讀】

清華庹新林/北化邱藤:改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠 示意圖 1. PANF 氣凝膠形成的示意圖 (a) 原始 PANF 水凝膠。(b) 冷凍 PANF 水凝膠。(c) PANF 氣凝膠。

清華庹新林/北化邱藤:改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠 圖 1. (a) PANF 分散液。(b 和 c)PANF 在不同放大倍數(shù)下的 TEM 圖像。(d) 制備的 PANF 水凝膠 (PANF% = 3%)。(e) 冷凍的 PANF 水凝膠。(f) PANF 氣凝膠。(g) 大尺寸 (220 mm × 150 mm × 40 mm) 的 PANF 氣凝膠。(h)不同形狀的PANF氣凝膠。左,埃菲爾鐵塔;對,中國石獅。(i) 涂有 PANF 氣凝膠的不同材料。從左到右:PS管、金屬管、石英管。

清華庹新林/北化邱藤:改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠 圖 2. 不同氣凝膠的宏觀形態(tài)和典型的 SEM 圖像。

202106151624085439 圖 3. (a) 不同 PANF 氣凝膠樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) PANF 氣凝膠和報道的芳綸氣凝膠的熱導(dǎo)率 (25 °C)。KNA氣凝膠;KNF 氣凝膠;層壓氣凝膠(徑向);PPTA氣凝膠;PA氣凝膠。(c) PA-20、PA-40 和其他氣凝膠的熱導(dǎo)率和比壓縮強度。PAN/BA-a/SiO2;近場通信;PVA-co-PE;自動柜員機;PVA/CNF/GONS;CNF/硅;GA;CSG;注意:選擇的氣凝膠的密度范圍為 9.6-42.0 mg/cm3,所有應(yīng)力均在 70% 的應(yīng)變下進行。(d) PANF 氣凝膠和 Kevlar 29 的 TGA 和 DTA 曲線。

清華庹新林/北化邱藤:改性凍干法宏觀制備芳綸納米纖維氣凝膠 圖 4. PANF 氣凝膠的隔熱和減震應(yīng)用。

【總結(jié)】

基于PANF水凝膠的改良凍干法成功制備了密度可調(diào)且性能優(yōu)異的PANF氣凝膠。在-18°C條件下冷凍,然后在20-150°C下干燥,PANF水凝膠成功轉(zhuǎn)化為PANF氣凝膠。PANF框架和冰晶的分離效果保證了該過程中的形狀穩(wěn)定性。利用該方法的簡單性和制備過程中PANF氣凝膠的收縮率可控,成功制備了大尺寸或各種形狀的PANF氣凝膠以及PANF氣凝膠涂層物體。該方法也足夠靈活,PANF%和干燥溫度作為兩個工藝參數(shù),可以很容易地調(diào)整以制備不同密度的PANF氣凝膠。它們的孔結(jié)構(gòu)和 BET 表面積,以及機械性能和熱導(dǎo)率,都隨著密度而相應(yīng)地改變。在制備的氣凝膠中,PA-20 和 PA-40 是兩種典型的低密度樣品,具有低熱導(dǎo)率(0.0300-0.0400 W/(m·K))和高比壓強度。此外,PANF氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,與Kevlar 29相似,在氮氣中500°C之前幾乎不發(fā)生分解。在實踐中,PANF 氣凝膠可用于隔熱或減震應(yīng)用。考慮到PANF氣凝膠的優(yōu)異性能,除了時間、能源和成本節(jié)約等優(yōu)勢外,MFD方法可能為PANF氣凝膠產(chǎn)品的宏觀規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用帶來光明的未來。

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