AFM: 高压缩性和多功能性纳米纤维素混合气凝胶的分层界面工程

雨辰

2021-01-30

矿物和生物聚合物构件的分层组合有利于提高结构材料的性能。将硅烷和纤维素纳米纤维集成到高性能混合气凝胶中是有希望的，但由于界面连接不理想，仍然具有挑战性。

有鉴于此，东华大学朱美芳教授和成艳华等人，通过冷冻干燥诱导的润湿和矿化作用引入了一种界面工程策略，来增强分级多孔纤维素网络，从而在简单且连续的自下而上的组装过程中形成了矿物包覆的纳米纤维素混合气凝胶。

本文要点

1）以细菌纤维素(BC)和MTMS为起始材料，开发了一种优化的“润湿和矿化”界面工程，构建了具有高机械压缩性(≈99%)和超疏水性(≈168°)的混合气凝胶，用于有效的油/水分离、隔热和应变传感。通过冷冻诱导组装，首先产生具有分层网络的BC纤维基质。然后干燥驱动湿润和矿化，实现PMSQ在BC纤维网络上的原位生长，直接形成纳米复合气凝胶。在这种自下而上的组装过程中，可以同时控制界面连接，纤维纳米结构以及微观多孔结构。

2）所得到的BC-PMSQ混合气凝胶具有不同长度尺度的强界面耦合。i)硅烷在BC纳米纤维上的原位润湿和矿化确保了强大的界面相互作用，从而产生灵活而健壮的杂化纳米纤维结构单元。矿化涂层内的疏水Si-CH₃基团赋予3D多孔骨架内在的疏水性和回弹效应。ii)高度纠缠的杂化纳米纤维形成的相互连接的细胞壁通过PMSQ纳米涂层桥接加强，而PMSQ则聚集在交叉纤维束的接触点上。iii)混合孔微结构不断扩展，形成宏观多孔气凝胶，以适应高周期和长周期压缩。

3）通过在硬质和软质成分之间进行优化的多尺度界面工程设计，所得纤维素基混合气凝胶具有轻量级（> 0.7 mg cm^-3），在宽温度范围内均具有出色的机械压缩性（> 99％应变）。具有超疏水性（≈168°）和在高湿度（95％相对湿度）下的湿气稳定性。利用这些优良的特性，多功能混合气凝胶作为高效的油/水吸附剂，具有良好的可循环性，在极端条件下的隔热材料和敏感的应变传感器方面也有巨大的应用前景。这种具有优化界面特征的组装方法是可扩展和高效的，为各种应用提供高性能的纤维素基气凝胶。

参考文献：

Junyan Zhang et al. Hierarchical Interface Engineering for Advanced Nanocellulosic Hybrid Aerogels with High Compressibility and Multifunctionality. Advanced Functional Materials, 2021.

DOI: 10.1002/adfm.202009349

https://doi.org/10.1002/adfm.202009349