《ACS Nano》:透光、隔热、阻燃的中孔纳米纤维素干凝胶!承重墙新材料

《ACS Nano》:透光、隔热、阻燃的中孔纳米纤维素干凝胶!承重墙新材料

气凝胶的高比表面积和高孔隙率的多孔结构使其可作为催化剂载体、空气过滤器、吸附剂等等。定制的气凝胶还能拥有低的热导率和高的透光率,是透明窗户隔热材料的潜在候选者。然而,由于气凝胶的生产需要对湿凝胶进行超临界干燥,其需要具有温度和压力控制的高压容器,从而导致气凝胶生产批量小、成本高,因此其实际应用受到限制。虽然在环境压力下进行蒸发干燥可以克服上述问题,但含有纳米颗粒的湿凝胶的蒸发干燥伴随着强大的毛细作用力。因此,生产具有高孔隙率和高比表面积的干燥的气凝胶(干凝胶)具有挑战性

东京大学Tsuguyuki Saito等人利用纤维素纳米纤维(CNF)的可调粒子间相互作用特性,获得了具有高孔隙率(〜80%)和高SSA(> 400 m2 g-1)的中孔结构干凝胶。通过CNF羧基间的相互作用,作者将带有羧基的几纳米宽的CNF构造成稳定的网络,并将其剪裁成规则的毫米厚的板状结构。该CNF干凝胶具有出色的机械强度(压缩E = 170 MPa,σ= 10 MPa;拉伸E = 290 MPa,σ= 8 MPa)、良好的透光性、出色的隔热性(0.06-0.07 W m-1 K-1)以及阻燃特性,有望作为透光、隔热且承重的墙体构件。该研究以题为“Mechanically Strong, Scalable, Mesoporous Xerogels of Nanocellulose Featuring Light Permeability, Thermal Insulation, and Flame Self-Extinction”的论文发表在《ACS Nano》上。

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【干凝胶材料的制备】

作者在湿凝胶中研究了两种不同的干燥温度(23和65°C)和四种不同的CNF浓度(0.5-2.0%)。随着CNF浓度的增加,湿凝胶具有更多的交联点,对毛细作用力更具抵抗力。但干凝胶的尺寸也随之变大,只有含1.0%CNF的干凝胶是形状规则的,更高浓度下的干凝胶则存在变形并且表面粗糙(图1a)。这是由于高浓度的CNF易发生团聚,这种异质性很可能导致干缩过程中干凝胶形状的不规则性。所有干凝胶的横截面均具有网络化的CNF结构(图1b),在2%的浓度和65°C干燥温度下,比表面积高达470 m2 g-1,这是迄今为止报道的纤维素干凝胶比表面积的最高值。相反,孔隙率(约80%)几乎与温度和湿凝胶浓度无关(图1e)。

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图1 CNF干凝胶的结构

【透光性和机械性能】

刚得到的干凝胶是不透明的(图2a),因为其表面存在微米级的褶皱,可散射可见光。因此,作者对干凝胶表面进行了抛光处理(图2b),处理后其透光性显着提高(图2c)。抛光后干凝胶的孔隙率仅降低了约3%,且保持了其内部的网状结构。此外,CNF干凝胶具有出色的机械性能。其压缩应力-应变曲线显示其压缩模量和屈服应力分别约为170和10 MPa(图3a)。这些值可与硬质聚合物泡沫,例如聚氨酯等相媲美,且至少比通过超临界干燥生产的CNF气凝胶高出2个数量级。干凝胶的拉伸应力-应变曲线显示其拉伸模量和强度分别高达约290和8MPa(图3b)。因此,该干凝胶具有足够的刚度和强度,能够以2×10 mm2的小横截面稳定地支撑10 kg的重量(图3c)。

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图2 CNF干凝胶的表面与透光性

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图3 CNF干凝胶的机械性能

【隔热与阻燃性能】

该CNF干凝胶在大气压下的热导率约为0.06-0.07 W m-1 K-1,具有良好的隔热性能。此外,该干凝胶具有阻燃与自熄特性(图4)。即使干凝胶被点燃,火焰也能在很短的时间内(<0.01 s)自动熄灭。该自熄特性可由在CNF表面形成的氢氧化铝结构来解释。当氢氧化物暴露于火焰中时,它们会脱水,然后脱去的水逐渐蒸发。该反应是吸热的,因此可以防止火焰扩散。在该CNF干凝胶中,CNF表面被羧基(〜1.1 mmol g-1)紧密地覆盖,其抗衡离子铝离子是三价阳离子,能与羧酸根阴离子形成氢氧化物。产生的氢氧化铝可能是造成干凝胶具有自熄功能的主要原因。

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图4 CNF干凝胶和天然木材的可燃性测试

总结:作者通过对离子交联的CNF湿凝胶进行分级常压干燥,生产出毫米级厚度的板状中孔干凝胶,孔隙率和比表面积可达80%和400-500 m2 g-1。该干凝胶具有优异的机械强度、透光性和隔热性,与其他基于CNF的多孔材料相比,它的刚度和强度具有明显优势。此外,由于CNF表面的离子结构,该干凝胶还具有阻燃特性。这种多功能的CNF干凝胶有望成为透光、隔热的承重墙体材料。

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08769

来源:高分子科学前沿

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