清华大学庹新林团队 ACS Nano：芳纶涂覆芳纶策略制备强、韧、可折叠的聚合物气凝胶膜

2022-08-26 来源：高分子科技

气凝胶作为一种新兴的轻质隔热材料备受关注，但易碎、强度低、透液性和柔韧性不足等问题极大地限制了进一步的应用。其中，芳族酰胺等高性能聚合物的气凝胶和聚酰亚胺由于基体的高比强度、模量和热稳定性而受到特别关注。

近期，清华大学化学工程系庹新林副研究员团队展示了一种芳纶涂覆芳纶策略来制备杂环芳纶(HA)/芳纶纳米纤维(PANF)气凝胶的皮芯结构复合膜。PANF气凝胶基底膜来自于PANF水凝胶膜的冷冻干燥。通过低温溶液共缩聚制备的HA溶液，是一种热力学稳定的均相聚合物溶液，通过简单的表面涂层策略直接施加到 PANF 气凝胶的表面上，经过溶剂置换、干燥过程可以制备得到HA/PANF气凝胶复合膜。良好的溶液体系可以促进 HA 渗透到下面的多孔结构中，形成界面解释和互锁结构。具有类似于PANF的芳族酰胺骨架的 HA 确保了复合材料与PANF气凝胶基质的润湿和相容性。通过调节HA溶液的粘度可用于控制涂层的厚度和聚合物的渗透深度。重要的是，HA涂层不仅显著提高了气凝胶复合薄膜的比强度和模量，而且具有良好的柔韧性，在表面剥离试验和折叠试验后可保持完整的形状。全芳纶(HA+PANF)的结构提供了良好的热稳定性，材料的分解温度高于530 °C。虽然HA的负载稍微提高了材料的密度和热导率，但都保持在与PANF气凝胶相同的低水平。值得注意的是，HA致密的表层能有效抑制液体在气凝胶内部的渗透，可避免应用中因吸湿而导致的隔热性能的下降。

图1. (a) 通过PPD、APBZ与TPC的低温溶液缩聚制备HA共聚物。(b) HA/PANF气凝胶复合膜的制备。比例尺：2cm。HA溶液的浓度和HA/PANF复合膜中HA的比重对复合膜的(c)密度、(d)孔隙率和(e)体积收缩率的影响。

图2. (a1-d1) PANF 气凝胶和 HA/PANF-m-n复合膜的表面SEM图像。(a2-d2) PANF气凝胶和HA/PANF-m-n复合膜的横截面SEM图像。(a，PANF气凝胶膜；b，HA/PANF-3.7-180；c，HA/PANF-10.6-210；d，HA/PANF-18.4-240)。(e) PANF 气凝胶和(f) HA/PANF-18.4-240 在高放大倍率下的表面SEM 图像。(g) PANF气凝胶和HA/PANF气凝胶复合膜的代表性氮吸附-解吸等温线。(h) PANF气凝胶和HA/PANF气凝胶复合薄膜的孔径分布。(i) 水滴渗透到下面的HA/PANF气凝胶复合膜中时接触角变化示意图。(j) PANF气凝胶和HA/PANF-m-n气凝胶复合材料水接触角度的实时演变。

图3. (a) PANF 气凝胶薄膜和 (b) HA/PANF-18.4-240 的折叠、释放过程和剥离结果的照片。比例尺：2 cm。(c) PANF气凝胶和HA/PANF-m-n薄膜的代表性应力-应变曲线。(d) PANF 气凝胶和 HA/PANF-m-n 薄膜的断裂韧性。(e) PANF气凝胶和 (f) HA/PANF-18.4-240薄膜上失效表面的SEM图像。(g) HA/PANF-18.4-240的横截面视图中的失效表面的 SEM 图像。(h) HA/PANF-18.4-240与同类气凝胶的比强度和比模量比较。

图4. (a1) 打印纸、(a2) PANF纸和 (a3) HA/PANF-18.4-240 的隔热性能测试照片。(b1) 打印纸、(b2) PANF 纸和 (b3) HA/PANF-18.4-240 在120 °C油浴中的隔热测试照片。(c) PANF气凝胶膜和HA/PANF-18.4-240在吸水状态下的隔热测试照片。(d) PANF气凝胶膜、PANF纸和HA-PANF-m-n的导热系数。(e) PANF气凝胶和HA-PANF-m-n薄膜的TGA曲线。(f) PANF气凝胶和 HA-PANF-m-n 薄膜在1 Hz 频率下温度扫描的DMA结果。

该工作以“The Aramid-Coating-on-Aramid Strategy toward Strong, Tough, and Foldable Polymer Aerogel Films”为题发表在《ACS Nano》上(doi: 10.1021/acsnano.2c04572)。文章第一作者是清华大学化学工程系博士生杨诗煊。该研究得到了国家自然科学基金等多项资金的资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c04572

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（责任编辑：xu）

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