中科院蘇州納米所等在高分子氣凝膠領(lǐng)域獲系列進(jìn)展
2015-11-18 來源：中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：高分子氣凝膠
氣凝膠是一種輕質(zhì)多孔的納米材料，在航空航天、國防等高技術(shù)領(lǐng)域及建筑、工業(yè)管道保溫等民用領(lǐng)域都有極其廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)其孔壁材料的組分屬性進(jìn)行劃分，可以把氣凝膠分為無機(jī)氣凝膠（如目前唯一商業(yè)化的氧化硅氣凝膠）、有機(jī)高分子氣凝膠（如酚醛樹脂氣凝膠等）和碳?xì)饽z這三大類。如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、化學(xué)組裝和化工工藝等手段，獲得新型高性能/多功能的氣凝膠材料，仍然是該領(lǐng)域所面臨的重要基礎(chǔ)研究課題之一。
最近，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)與北京理工大學(xué)的科研人員合作，在高分子氣凝膠領(lǐng)域獲得了系列新進(jìn)展。
首先，將零維、一維或二維納米材料均勻分散于液體介質(zhì)中，只要其濃度處于合適范圍內(nèi)，納米顆粒即可相互接觸形成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。選擇與納米顆粒界面有相互作用的第二組分，引入初級網(wǎng)絡(luò)體系中。此時，第二組分將優(yōu)先吸附于納米顆粒的表面。隨后，引發(fā)第二組分的原位聚合/固化/交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對初級網(wǎng)絡(luò)的“共形”包覆。這樣，由納米顆粒形成的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)隨即被固定下來。再通過冷凍干燥或超臨界干燥的方法將溶劑除去，即得到彈性多孔的氣凝膠三維材料。這種新型的氣凝膠制備技術(shù)可稱之為“初級網(wǎng)絡(luò)共形生長”技術(shù)。中科院蘇州納米所和北京理工大學(xué)的科技人員緊密合作，共同提出了此項(xiàng)制備氣凝膠的新技術(shù)，并用于制備彈性的聚吡咯氣凝膠和聚吡咯/銀共軸納米線氣凝膠，獲得了具有“零”電阻溫度系數(shù)（TCR）的理想傳感材料（如圖1所示）。以此氣凝膠材料所構(gòu)建“溫度自補(bǔ)償”壓力傳感器具有高穩(wěn)定性（TCR≤0.86 × 10-3 /οC）、高靈敏度（0.33 kPa-1）、短響應(yīng)時間（1 ms）、低檢測限（4.93 Pa）等優(yōu)點(diǎn)。此外，這些氣凝膠材料也可以加工成為壓敏型智能焦耳加熱器。這些研究成果已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano 2015, 9, 4244-4251和Scientific Reports 4: 4792上。
其次，通過在水溶性高分子水凝膠中引入結(jié)晶相作為物理交聯(lián)點(diǎn)和力學(xué)增強(qiáng)骨架，制備出了一種基于主-客體包結(jié)物的氣凝膠——α-環(huán)糊精與聚乙二醇超分子聚準(zhǔn)輪烷氣凝膠。從結(jié)構(gòu)上看，這種氣凝膠是由獨(dú)特的二維類石墨烯片層三維組裝而成；與此同時，通過調(diào)節(jié)環(huán)糊精與聚乙二醇的摩爾配比和濃度，能夠?qū)崿F(xiàn)片層結(jié)構(gòu)的大小及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的簡單控制。這些研究工作表明，以超分子水凝膠為前驅(qū)體，通過超臨界流體技術(shù)，完全可以制備出一種全新的氣凝膠：超分子氣凝膠！由于此氣凝膠骨架為不熔的管道結(jié)晶結(jié)構(gòu)包覆一層聚乙二醇結(jié)晶層，熱學(xué)穩(wěn)定性好，且未參與管道結(jié)晶的聚乙二醇是一種優(yōu)異的相變儲能材料，因此獲得的超分子氣凝膠可作為一種新型多功能的固-固態(tài)相變儲能材料。也就是說，通過把隔熱性能優(yōu)異的氣凝膠材料與相變儲能材料有機(jī)地融合于一體，在保溫隔熱的同時，材料自身能夠吸收和儲存能量，并在合適的時機(jī)釋放儲存的能量，因而能夠?qū)崿F(xiàn)能量的最大化利用（如圖2所示）。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)在線發(fā)表在美國化學(xué)會雜志ACS Nano 上。(DOI: 10.1021/acsnano.5b05281)。
這些工作得到了國家自然科學(xué)基金（51572285，21373024，21404117）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20151234，BK20140391）、江蘇省博士后基金（1401066C）和中科院百人計(jì)劃的大力支持。
最近，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同領(lǐng)導(dǎo)的氣凝膠團(tuán)隊(duì)與北京理工大學(xué)的科研人員合作，在高分子氣凝膠領(lǐng)域獲得了系列新進(jìn)展。
首先，將零維、一維或二維納米材料均勻分散于液體介質(zhì)中，只要其濃度處于合適范圍內(nèi)，納米顆粒即可相互接觸形成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。選擇與納米顆粒界面有相互作用的第二組分，引入初級網(wǎng)絡(luò)體系中。此時，第二組分將優(yōu)先吸附于納米顆粒的表面。隨后，引發(fā)第二組分的原位聚合/固化/交聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對初級網(wǎng)絡(luò)的“共形”包覆。這樣，由納米顆粒形成的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)隨即被固定下來。再通過冷凍干燥或超臨界干燥的方法將溶劑除去，即得到彈性多孔的氣凝膠三維材料。這種新型的氣凝膠制備技術(shù)可稱之為“初級網(wǎng)絡(luò)共形生長”技術(shù)。中科院蘇州納米所和北京理工大學(xué)的科技人員緊密合作，共同提出了此項(xiàng)制備氣凝膠的新技術(shù)，并用于制備彈性的聚吡咯氣凝膠和聚吡咯/銀共軸納米線氣凝膠，獲得了具有“零”電阻溫度系數(shù)（TCR）的理想傳感材料（如圖1所示）。以此氣凝膠材料所構(gòu)建“溫度自補(bǔ)償”壓力傳感器具有高穩(wěn)定性（TCR≤0.86 × 10-3 /οC）、高靈敏度（0.33 kPa-1）、短響應(yīng)時間（1 ms）、低檢測限（4.93 Pa）等優(yōu)點(diǎn)。此外，這些氣凝膠材料也可以加工成為壓敏型智能焦耳加熱器。這些研究成果已經(jīng)發(fā)表在ACS Nano 2015, 9, 4244-4251和Scientific Reports 4: 4792上。
其次，通過在水溶性高分子水凝膠中引入結(jié)晶相作為物理交聯(lián)點(diǎn)和力學(xué)增強(qiáng)骨架，制備出了一種基于主-客體包結(jié)物的氣凝膠——α-環(huán)糊精與聚乙二醇超分子聚準(zhǔn)輪烷氣凝膠。從結(jié)構(gòu)上看，這種氣凝膠是由獨(dú)特的二維類石墨烯片層三維組裝而成；與此同時，通過調(diào)節(jié)環(huán)糊精與聚乙二醇的摩爾配比和濃度，能夠?qū)崿F(xiàn)片層結(jié)構(gòu)的大小及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的簡單控制。這些研究工作表明，以超分子水凝膠為前驅(qū)體，通過超臨界流體技術(shù)，完全可以制備出一種全新的氣凝膠：超分子氣凝膠！由于此氣凝膠骨架為不熔的管道結(jié)晶結(jié)構(gòu)包覆一層聚乙二醇結(jié)晶層，熱學(xué)穩(wěn)定性好，且未參與管道結(jié)晶的聚乙二醇是一種優(yōu)異的相變儲能材料，因此獲得的超分子氣凝膠可作為一種新型多功能的固-固態(tài)相變儲能材料。也就是說，通過把隔熱性能優(yōu)異的氣凝膠材料與相變儲能材料有機(jī)地融合于一體，在保溫隔熱的同時，材料自身能夠吸收和儲存能量，并在合適的時機(jī)釋放儲存的能量，因而能夠?qū)崿F(xiàn)能量的最大化利用（如圖2所示）。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)在線發(fā)表在美國化學(xué)會雜志ACS Nano 上。(DOI: 10.1021/acsnano.5b05281)。
這些工作得到了國家自然科學(xué)基金（51572285，21373024，21404117）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20151234，BK20140391）、江蘇省博士后基金（1401066C）和中科院百人計(jì)劃的大力支持。
圖1 聚吡咯/銀共軸納米線復(fù)合氣凝膠的應(yīng)力傳感特性
圖2 超分子氣凝膠結(jié)構(gòu)及其相變儲能-隔熱保溫示意圖
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