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东京大学制备出一种隔热、阻燃的中孔纳米纤维素干凝胶
发布时间:2021-01-13   浏览次数:76

东京大学Tsuguyuki Saito等人利用纤维素纳米纤维(CNF)的可调粒子间相互作用特性,获得了具有高孔隙率(?80%)和高SSA(> 400 m2 g-1)的中孔结构干凝胶。通过CNF羧基间的相互作用,作者将带有羧基的几纳米宽的CNF构造成稳定的网络,并将其剪裁成规则的毫米厚的板状结构。该CNF干凝胶具有出色的机械强度(压缩E = 170 MPa,σ= 10 MPa;拉伸E = 290 MPa,σ= 8 MPa)、良好的透光性、出色的隔热性(0.06-0.07 W m-1 K-1)以及阻燃特性,有望作为透光、隔热且承重的墙体构件。

【干凝胶材料的制备】

作者在湿凝胶中研究了两种不同的干燥温度(23和65°C)和四种不同的CNF浓度(0.5-2.0%)。随着CNF浓度的增加,湿凝胶具有更多的交联点,对毛细作用力更具抵抗力。但干凝胶的尺寸也随之变大,只有含1.0%CNF的干凝胶是形状规则的,更高浓度下的干凝胶则存在变形并且表面粗糙(图1a)。这是由于高浓度的CNF易发生团聚,这种异质性很可能导致干缩过程中干凝胶形状的不规则性。所有干凝胶的横截面均具有网络化的CNF结构(图1b),在2%的浓度和65°C干燥温度下,比表面积高达470 m2 g-1,这是迄今为止报道的纤维素干凝胶比表面积的最高值。相反,孔隙率(约80%)几乎与温度和湿凝胶浓度无关(图1e)。

图1 CNF干凝胶的结构

【透光性和机械性能】

刚得到的干凝胶是不透明的(图2a),因为其表面存在微米级的褶皱,可散射可见光。因此,作者对干凝胶表面进行了抛光处理(图2b),处理后其透光性显着提高(图2c)。抛光后干凝胶的孔隙率仅降低了约3%,且保持了其内部的网状结构。此外,CNF干凝胶具有出色的机械性能。其压缩应力-应变曲线显示其压缩模量和屈服应力分别约为170和10 MPa(图3a)。这些值可与硬质聚合物泡沫,例如聚氨酯等相媲美,且至少比通过超临界干燥生产的CNF气凝胶高出2个数量级。干凝胶的拉伸应力-应变曲线显示其拉伸模量和强度分别高达约290和8MPa(图3b)。因此,该干凝胶具有足够的刚度和强度,能够以2×10 mm2的小横截面稳定地支撑10 kg的重量(图3c)。

图2 CNF干凝胶的表面与透光性

图3 CNF干凝胶的机械性能

【隔热与阻燃性能】

该CNF干凝胶在大气压下的热导率约为0.06-0.07 W m-1 K-1,具有良好的隔热性能。此外,该干凝胶具有阻燃与自熄特性(图4)。即使干凝胶被点燃,火焰也能在很短的时间内(<0.01 s)自动熄灭。该自熄特性可由在CNF表面形成的氢氧化铝结构来解释。当氢氧化物暴露于火焰中时,它们会脱水,然后脱去的水逐渐蒸发。该反应是吸热的,因此可以防止火焰扩散。在该CNF干凝胶中,CNF表面被羧基(?1.1 mmol g-1)紧密地覆盖,其抗衡离子铝离子是三价阳离子,能与羧酸根阴离子形成氢氧化物。产生的氢氧化铝可能是造成干凝胶具有自熄功能的主要原因。

图4 CNF干凝胶和天然木材的可燃性测试

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来源: 高分子科学前沿
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