芳纶纳米纤维基功能复合气凝胶的设计制备与应用研究

发布时间：2021-11-15 01:36

　　气凝胶是由相互连接的三维固体网络组成并且被大量的气体填充的多孔固体材料,其纳米尺度的结构和理化特性使得气凝胶的具有孔隙率高、表面积大、密度低等优点。在储能、吸附、催化等众多领域都展现出广泛应用价值和前景。然而,采用简单工艺制备出既具有高比表面积、高孔隙,又具有光、电、热、磁等多种功能的气凝胶,仍然是一大挑战。显然单一组分的气凝胶在功能化方面难以胜任,不过材料的复合可以使得材料在性能上取长补短,产生协同效应。因此复合成为目前气凝胶功能化发展的主要方向。基于此,本文选择杜邦公司生产的高强度芳纶1414（商品名为Kevlar）为基体相,它具有模量高、热稳定性好、重量轻、耐酸碱等优异性能。与之前研究不同,本文采用去质子化的方法将宏观的芳纶纤维束溶解在二甲基亚砜（DMSO）溶液中得到芳纶纳米纤维（ANF）分散液,然后与其他高性能纳米材料复合,制备成复合气凝胶,具体研究内容包括:（1）利用CNT的高效屏蔽性能,将ANF与CNT混合后采用刮刀涂布、溶胶-凝胶、冷冻干燥等处理方式制备成杂化气凝胶。最后施加氟碳树脂（FC）涂层使得材料具有良好的疏水性。由于分子间作用力和π-π堆叠作用,CNT与ANF混合... 

【文章来源】：海南大学海南省 211工程院校

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物质在不同密度上的分布与转变(Duetal.,2013)

海南大学硕士学位论文3规模生产的气凝胶之一，也是当前研究最成熟的的气凝胶之一。其三维网络多孔结构由二氧化硅微纳颗粒组成。具有低密度，低折射率，超低热导率，高透明度等优异的物化性质。美中不足的是其机械性能较差，应力作用下常常发生脆断。因此SiO2气凝胶在干燥之前通常会经历老化这一步骤，目的是在溶胶凝胶过程中加强气凝胶网络骨架之间的机械作用提高机械性能。无机气凝胶中二氧化硅气凝胶热导率最低，透明度最高，应用广泛。BN气凝胶耐高低温性能最佳，属新兴气凝胶材料。图1.2展示了SiO2、BN这两种气凝胶。我们实验室也对这两种无机气凝胶的研究取得一些研究研究进展，包括无需溶剂置换过程的SiO2气凝胶制备(Wangetal.,2015)，超疏水二氧化硅气凝胶的制备(Wangetal.,2016)，直接分离法制备二氧化硅气凝胶粉体(Liuetal.,2019a)，耐高低温的BN柔性气凝胶(Lietal.,2019b)等。图1.2二氧化硅气凝胶块体和氮化硼气凝胶块体Fig.1.2Silicaaerogelblockandboronnitrideaerogelblock（2）金属气凝胶金属气凝胶既具备了气凝胶的多孔网络结构又兼具了金属的导电催化等功能特性。使得金属气凝胶具有独一无二的性能，包括低密度、高比表面积、高导电性、低热导率等性能。因此适用于传感，催化，储能等领域(Yangetal.,2019)。制备金属气凝胶的方法有粉末冶金法，燃烧法，脱合金法，冷冻组装打印法等(Caietal.,2018)。然而这些方法常常制备条件苛刻（高温、高压、无氧等），使得金属气凝胶的制备往往成本很高。不仅如此，由于密度是气凝胶的关键指数，而金属材料的密度往往远远高于无机非金属、高分子等材料的密度（例如，银的密度是硅的5倍），这使得金属气凝胶在降低密度工艺技术上具有相当高的难度，所以当前金属气凝胶的发展受到比较?

芳纶纳米纤维基功能复合气凝胶的设计制备与应用研究4图1.3金气凝胶与银纳米线气凝胶(Qianetal.,2019,Qianetal.,2017)Fig.1.3AuaerogelandAgnanowireaerogel（3）碳气凝胶碳气凝胶是一类特殊的气凝胶，最先由Pekala等(W,1989)人在20世纪80年代将有机前驱体经过惰性气体热解制备而成的。在惰性条件下热解，前驱体中的不耐热成分随着温度的升高生成气体逃逸，最终产生介孔和微孔碳骨架结构，获得了高比表面积和高孔隙率。与此同时也形成微晶或无定型的碳区域，自由电子在外加电场的作用下，在气凝胶的碳骨架发生定向移动，因此碳气凝胶具有高比表面积的同时兼具优异的导电性，所以常用于超级电容器(Chenetal.,2019)，催化材料(Chenetal.,2015)等方向。表1.1不同有机来源制备的碳气凝胶的类型和特性Table1.1TypesandcharacteristicsofcarbonaerogelspreparedwithdifferentorganicsourcesNameDensity(g/cm3)Specificsurface(m2/g)Pore(nm)RF0.03-0.6400-100050MF0.1-0.8875-102550PF0.1-0.25350-60010CF0.15-0.480030PUF0.12-0.5300-60020根据碳源的不同，碳气凝胶有诸多的体系（间苯二酚—甲醛（RF）、三聚氰胺—甲醛（MF）、甲酚—甲醛（CF）、苯酚—糠醛（PF）、高分子异氰酸酯（PUF）等），表1.1所示是由不同有机碳源制备的碳气凝胶的类型和特性。其中，由于酚醛树脂（RF）反应简单，所以该体系是最常被研究的。RF湿凝胶通常是由间苯二酚和甲醛水溶液采用直接共聚和纳米级相分离制备的(Salihovicetal.,2018)，再通过干燥获得气凝胶，最后热解制备成碳气凝胶。由于热解原因，碳气凝胶通常易脆，为此，俞书宏等(Yuetal.,2019)受蛛网启发，通过使用间苯二酚—甲醛（RF）树脂作为硬碳源，制备了具有纳米纤维网状结构的超弹性和抗


本文编号：3495763