ACS Nano: 我院教师开发出高强隔热纳米纤维气凝胶

发布者:权全发布时间:2022-03-19浏览次数:162

高性能隔热材料通过减少传热是提高能源效率和降低世界能源消耗总量的有效途径。在恶劣环境中,许多个人热防护系统迫切需要具有超低导热系数、轻质和机械坚固性能的隔热材料

近日,我院庄旭品教授和杨光教授提出质子供体调控的ANFs组装策略,构建了一种具有致密表层和3D高孔隙体层的非对称ANF气凝胶膜(ASAAM),该气凝胶展示了远高于其它同类产品的断裂强度(11.8 MPa),同时保持了纳米纤维气凝胶的低堆积密度(19.2 mg·cm-3)、高孔隙率(99.53%)和出色的隔热性(λ=0.031 Wm-1K-1)的特点。此外,非对称气凝胶膜在高温环境下具有良好的稳定性(>500 阻燃性,因而在恶劣高温环境隔热方面有着巨大应用潜力。相关工作以Proton Donor-Regulated Mechanically Robust Aramid Nanofiber Aerogel Membranes for High-Temperature Thermal Insulation”为题发表在《ACS Nano》上。

该团队将Kevlar纤维去质子化获得负电荷的柔性ANF,通过质子供体调节,利用多浴顺次还原技术制备出了非对称结构气凝胶膜,证明了质子还原过程极大地影响了ANF组装结构。得益于这种非对称结构,气凝胶膜具有高比表面积(344 m2·g-1的同时表现出了高机械性能,能够轻松承受高于自身3600倍的重量,并在揉捏或卷曲后可恢复到最初形状而不受损伤。

ASAAMs的制备、结构与性能

研究人员研究了ANF质子还原的结构演变,明晰了质子供体调控气凝胶结构的机理。进一步设计了一种可以连续、量化制备ASAAMs的工艺ASAAMs断裂强度和断裂伸长均有明显的增长,断裂强度提高了13倍,这也是迄今为止报道拉伸强度最高的芳纶纳米纤维气凝胶膜。相比于均质气凝胶,非对称气凝胶在高温环境下展现出更加优异的隔热性能、热稳定性能和阻燃性能。

刮膜工艺及连续制备的气凝胶膜

非对称气凝胶膜的隔热性能和阻燃性 

该研究提出了一种质子供体调控的ANF组装策略,构建了具有致密表层和多孔体层的非对称ANF气凝胶膜,赋予了气凝胶优异的综合性能,包括高强、超轻、耐高温和阻燃性;建立了连续、量化生产非对称气凝胶膜的刮膜工艺,探索了气凝胶膜在高温防护领域的应用性能。文章的第一作者是我院硕士研究生胡颖荷,通讯作者为我院杨光教授和庄旭品教授。

原文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11301