西南科大王山林团队 CEJ：氟化改性的柔性SiO2气凝胶复合材料在热流防护中的应用进展

2022-11-14 来源：中国聚合物网

气凝胶材料具有在空气中持久执行热管理的巨大潜力，但在实际应用中有许多局限性，特别是在承受压应力和热流体时，持续承受高压缩比(高达60%)、超排斥热液体及其具有高通量蒸发-冷凝行为的热蒸汽渗透仍然是一个重要的挑战。因此，寻找一种具有持久热流防护性能的柔性复合气凝胶材料在热管理领域特别是流体热管理领域的应用十分重要。

西南科技大学材料与化学学院&环境友好能源国家重点实验室王山林副教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表了题为“Durable thermal fluid super-repellency of elastic fluorine-modified SiO₂@sponge composite aerogel”的文章（DOI: 10.1016/j.cej.2022.140247）。为提高柔性复合气凝胶的力学性能以及直接面对热流体时依然具有优异的热管理能力。该团队设计制备了一种具有微纳复合结构的氟化改性SiO₂@sponge复合气凝胶（F-SSA），与目前报道的柔性复合气凝胶相比，F-SSA的优势体现在以下两方面：（1）具有各向同性的超弹性。在60%应变下压缩1000次循环后，应力超过180 kPa、质量损失率低于5%、相对高度超过95%和应力保留约88.7%。这主要是由于SiO₂气凝胶对三聚氰胺海绵骨架的保护作用和三聚氰胺海绵的超弹性作用及其对SiO₂气凝胶裂纹扩展的阻碍作用的综合作用的结果。（2）通过构造氟改性的微纳二元形貌，可以大大增强F-SSA的热流体防护能力，使传热模型从渗透热流体的导热转变为热蒸汽凝结的相变传热和复合气凝胶的导热。因此能直接面对200 mL 97°C的水和150°C的食用油，甚至热蒸汽注射12 h后，最大背温仍在60℃以下，这在过去鲜有报道。这些集成到F-SSA中的这些多个关键特性有望为热管理领域特别是流体热管理领域的应用提供更显著的适应性和独特优势，为气凝胶的应用领域提供新思路和新方向。

图1. （a-c）不同表面张力的热液滴对三聚氰胺海绵、氟改性海绵和F-SSA的热流超排性。（d, e）F-SSA的SEM图片。（f）F-SSA的TEM图片。（g）全氟癸基三乙氧基硅烷改性SiO₂气凝胶示意图。（h-l）XPS全图谱及其解析图谱。

图2. （a, b）F-SSA在典型重力下的抗压和回弹特性。（c）F-SSA各向同性应力应变曲线。（d）压缩（ε = 60%）不同周期后的杨氏模量，应力，相对高度和质量损失率。（e）F-SSA与目前主要报道的气凝胶陶瓷纤维材料的应力应变比较。（f, g）F-SSA抗王水和1M NaCl溶液特性。

图3. 热流超排斥性在热流防护中的作用机制及其沸水防护举例。

图4. （a-b）应对热水（97°C）、热油（150°C）及热蒸汽的背面温度变化曲线。（d）应对热蒸汽的质量变化曲线。（e, f）F-SSA在热蒸汽注入环境下的表面微滴合并诱导弹跳行为和氟化海绵热蒸汽吸收行为及其传热传质示意图。（g-k）热蒸汽环境下的背面光学照片和热红外图像。

论文第一作者为西南科技大学材料与化学学院硕士生赵智猛，通讯作者为西南科技大学材料与化学学院&环境友好能源国家重点实验室王山林副教授，该研究得到国家自然科学基金的资助支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140247

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（责任编辑：xu）

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