氣凝膠維度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能化應(yīng)用

氣凝膠是一類兼具重要科學(xué)研究意義和巨大工程化應(yīng)用價(jià)值的納米多孔材料, 其制備過程涉及溶膠-凝膠化學(xué) 轉(zhuǎn)變、結(jié)構(gòu)調(diào)控、界面張力消除等基礎(chǔ)科學(xué)問題, 在理化性能方面同時(shí)具有超低密度和超低熱導(dǎo)率特性, 是一類理想 的輕量化超級(jí)隔熱保溫材料, 在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)葘?duì)重量要求嚴(yán)苛的應(yīng)用領(lǐng)域極具吸引力。

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1 氣凝膠維度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著氣凝膠制備技術(shù)的迭代發(fā)展, 氣凝膠的維度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸吸引了研究人員的興趣, 如氣凝膠微粉、氣凝膠薄膜、氣凝膠纖維、3D打印氣凝膠等。這些新工作的開展一定程度上克服了傳統(tǒng)氣凝膠的缺陷, 展示出維度賦予的獨(dú)特性能和應(yīng)用潛力, 是化學(xué)調(diào)控之外另一種實(shí)現(xiàn)氣凝膠性能優(yōu)化和調(diào)控的重要方法。

1.1 0維氣凝膠微球

傳統(tǒng)氣凝膠大多呈現(xiàn)塊狀, 針對(duì)特殊領(lǐng)域的應(yīng)用需求, 科研人員成功制備出0維氣凝膠微球, 不但兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)氣凝膠三維網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和微球的優(yōu)異性能, 也因其微納米級(jí)的尺寸在快速吸附、藥物控釋、功能化填充等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力.例如氣凝膠微球具有作為優(yōu)異吸附材料的兩大必要特征, 即高比表面積與多活性位點(diǎn), 能在目標(biāo)吸附物中(如海水中的油, 廢水中的重金屬離子、有機(jī)染料等)更均勻地分散、更快更高效地吸附。

氣凝膠微球的 SEM 照片

1.2 1維氣凝膠纖維

鑒于傳統(tǒng)塊體氣凝膠面臨的難以二次加工等問題, 纖維狀的氣凝膠由于其可編織性、降維賦予的柔性、以及小尺寸賦予的快速擴(kuò)散等功能, 近年來氣凝膠纖維的制備獲得廣泛關(guān)注及快速發(fā)展。

1.2.1 高分子基氣凝膠纖維

合成Kevlar纖維作為紡織產(chǎn)業(yè)的熱門材料, 具有密度低、機(jī)械性能好、耐高溫且易于加工及成型的優(yōu)點(diǎn)。研究表明對(duì)Kevlar分散液實(shí)施濕法紡絲操作, 隨后在冷凍干燥與超臨界干燥的配合使用下生產(chǎn)出可以任意加捻、編織的凱夫拉氣凝膠纖維, 高孔隙率使得該氣凝膠纖維能在較長時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的隔熱保溫效果. 這對(duì)保溫需求的可穿戴衣物帶來了新思路。

凱夫拉氣凝膠纖維圖

1.2.2 天然纖維素氣凝膠纖維

除了上述合成纖維氣凝膠的研發(fā), 天然纖維(如從蠶繭中剝離出的蠶絲納米纖維)因其來源綠色、不可再生資源依賴性低, 也成為近來熱門研究對(duì)象. 隨著全球資源的消耗枯竭, 清潔低耗型家居環(huán)境是未來的大勢所趨。紡織品本身既能維持與人體之間微環(huán)境的穩(wěn)定熱量循環(huán), 又能與空間外環(huán)境進(jìn)行熱作用是值得研究人員關(guān)注的閃光點(diǎn)。

1.2.3 智能相變氣凝膠纖維

研究表明先通過濕法紡絲工藝, 將氧化石墨烯液晶紡入特定凝固浴中, 經(jīng)化學(xué)還原-超臨界干燥等技術(shù)手段制備得到具有規(guī)整、連續(xù)、多孔的石墨烯氣凝膠纖維。將石墨烯氣凝膠纖維、相變材料及超疏水涂層巧妙復(fù)合, 得到一種柔性、自清潔的石墨烯氣凝膠智能相變纖維, 實(shí)現(xiàn)了復(fù)合纖維的能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)、自清潔、智能調(diào)溫、加熱等多重刺激響應(yīng)功能的統(tǒng)一。在新一代智能可穿戴織物及便攜式電子器件領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。為實(shí)現(xiàn)智能纖維在復(fù)雜環(huán)境中的多重刺激響應(yīng)應(yīng)用, 以及未來新型多功能智能可穿戴系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造更多的機(jī)遇。

1.2.4 氧化硅氣凝膠纖維

與傳統(tǒng)絕熱材料相比, 低密度多孔氧化硅氣凝膠具有極低的導(dǎo)熱率, 其骨架由相互連接的氧化硅納米顆粒組成。由于納米顆粒間的弱界面相互作用, 氧化硅氣凝膠機(jī)械強(qiáng)度低、柔韌性差。合成出高強(qiáng)柔韌的氧化硅氣凝膠材料非常必要, 其中氧化硅氣凝膠纖維化是改善此性能的有效途徑之一。

氧化硅氣凝膠纖維圖

1.3 2維氣凝膠薄膜

為滿足更多場景的應(yīng)用需求, 氣凝膠呈現(xiàn)形式也愈發(fā)多樣化。研究表明將 Kevlar溶解在二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide, 簡稱 DMSO)的氫氧化鉀飽和溶液中, 獲得高強(qiáng)度的芳綸納米纖維(aramid nanofiber, 簡稱 ANF), 隨后與碳納米管(carbon nanotube, 簡稱 CNT)混合均勻, 再經(jīng)刮刀涂布、溶膠-凝膠法、冷凍干燥及疏水化過程獲得電學(xué)與力學(xué)性能顯著的ANF/CNT氣凝膠薄膜. CNT材料的復(fù)合賦予了該氣凝膠杰出的電磁屏蔽功能, 加上氣凝膠本身密度低、質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn), 彌補(bǔ)了當(dāng)前功能性屏蔽材料難以實(shí)現(xiàn)高柔性與輕量化的不足。

1.4 3維氣凝膠宏觀體材(增材制造)

隨著3D打印技術(shù)的更新發(fā)展, 研究人員也將此技術(shù)應(yīng)用到了氣凝膠的制備上。自此產(chǎn)生了制備3維氣凝膠的一類新方法。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以根據(jù)程序的設(shè)計(jì)制造出符合目標(biāo)模型的氣凝膠, 突破了時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的束縛, 但也存在墨水的控制問題。Cheng等在3D打印領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展, 通過溶解高性能的Kevlar纖維制備了具有合適流變性能的凱夫拉納米纖維墨水, 進(jìn)而采用高精度、低能耗、普適的冷凍-直寫3D打印方法及超臨界干燥技術(shù), 首次制備出具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的3D凱夫拉氣凝膠超材料, 實(shí)現(xiàn)了超低密度、大比表面積、高機(jī)械性、結(jié)構(gòu)整體性等特點(diǎn)的統(tǒng)一。為表面改性、光致變色及熱響應(yīng)測試的后續(xù)實(shí)驗(yàn)做好了原料的基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

2 新型獨(dú)特應(yīng)用

隨著氣凝膠的迭代發(fā)展, 逐漸出現(xiàn)越來越多獨(dú)特應(yīng)用, 適用范圍得到了極大擴(kuò)展。

2.1 超疏水化 

界面疏水化在自潔、防粘、防腐蝕、減阻等方面具有巨大的潛在應(yīng)用, 然而傳統(tǒng)的疏水化改性僅僅基于玻璃、織物等材料表面, 生物活體表面的研究仍是巨大的挑戰(zhàn)。

2.2 隱身、儲(chǔ)能

在氣凝膠孔中填充具有出色的儲(chǔ)熱能力和高相變焓的固體相變材料, 可達(dá)到材料隱身和儲(chǔ)能效果。

2.3 自漂浮

研究并制備出輕質(zhì)疏水的自漂浮水凝膠。將超疏水、低密度 氧化硅氣凝膠微粒與導(dǎo)電聚合物中空球作為功能基團(tuán), 以聚乙二醇(polyvinyl alcohol, 簡稱 PVA)為水凝膠骨架, 設(shè)計(jì)合成出用于可快速產(chǎn)生太陽能蒸汽的自浮型雜化水凝膠。

超疏水隱形手套

2.4 海水淡化

近年來, 研究表明通過調(diào)節(jié)碳?xì)饽z的納米結(jié)構(gòu), 可以成功獲得漫反射率僅為0.19%的超黑體氣凝膠材料。因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性, 反射率與角度無關(guān), 同時(shí)該氣凝膠中大多數(shù)孔和骨架的大小(通常小于 50 nm)小于可見光的波長。

利用太陽能蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng), 先將光能轉(zhuǎn)化為熱能, 然后利用熱能加熱水體, 從而達(dá)到海水淡化的目的。氣凝膠用于海水淡化的另一重要意義在于其熱導(dǎo)率低, 有利于熱量集中, 減少擴(kuò)散, 也有利于提高蒸發(fā)效率。

2.5 調(diào)溫制冷服裝

以超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene, 簡稱 UHMWPE)為原料, 經(jīng)過超臨界CO2萃取十六烷或鄰二甲苯(作溶脹劑, 溶劑滲透到聚合物基質(zhì)中)而制備的高孔隙率氣凝膠顯示出高阻尼性, 其突出特點(diǎn)為導(dǎo)熱率低, 可以應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域或極低溫度下工作的絕熱元件。

另外通過引入化學(xué)交聯(lián)鍵, 完成高度結(jié)晶的α,ω-二乙烯基聚乙烯和聚氫硅烷的硅氫加成反應(yīng), 結(jié)合溶膠凝膠法來合成聚乙烯(polyethylene, 簡稱PE)氣凝膠, 在保持高交聯(lián)密度的同時(shí)最大程度地提高了聚合物的結(jié)晶度, 可改善聚合物氣凝膠的機(jī)械性能。得益于高結(jié)晶度、窄熔融轉(zhuǎn)變和致密共價(jià)交聯(lián), PE氣凝膠表 現(xiàn)出顯著的形狀記憶性能?；赑E氣凝膠的熱作用機(jī)理, 該材料可用于智能服裝行業(yè), 研發(fā)調(diào)溫制冷服裝。

PE 氣凝膠調(diào)溫制冷原理

來源：王靜, 王錦. 氣凝膠維度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能化應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 79(4): 430-442.

新能源電池安全管理解決方案呼之欲出，特別是，具有隔熱、阻燃等功能特點(diǎn)的新材料受到市場青睞，氣凝膠隔熱片是其中最重要的新材料之一。氣凝膠隔熱片主要用于電池包中、電池單體之間的隔熱、阻燃，也可用于車身的隔熱、阻燃。氣凝膠企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈從成膠，封裝，到電池包、管道等下游應(yīng)用，從材料的前驅(qū)體到各種纖維如陶瓷纖維，玻璃纖維，泡棉等，以及封裝材料如PET、PI膜，熱熔膠、硅膠框等，同時(shí)也包括在生產(chǎn)過程中的設(shè)備，如超臨界設(shè)備，熱壓機(jī)，模切設(shè)備。歡迎相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈人士加入。

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