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西南大学黄进教授、甘霖副教授课题组在纤维素纳米晶基气凝胶弹性可调控上取得新进展
2019-12-27  来源:高分子科技

  纤维素纳米晶(CNC)基气凝胶是一种低密度、高孔隙率、高比表面积、化学可修饰性的三维多孔固体材料,因其优异的性能而被广泛应用于吸附、催化、储能和传感等领域。然而,CNC基气凝胶的高强度和高模量也伴随着韧性不足的问题,限制了其作为柔性材料的应用,也增加了其加工和后处理的难度。其中的主要原因是CNC之间未受控制的氢键网络限制了CNC颗粒的运动。因此,亟需一种策略调控气凝胶的氢键网络以解决其刚性和脆性难题。

  受海参皮肤启发,当其胶原纤维的交联网络被stiparin抑制剂削弱时,海参皮肤由刚性向柔性转变。黄进教授和甘霖副教授团队通过可形成氢键的柔性高分子聚乙二醇(PEG)对CNC进行化学交联,制备了一种包含氢键网络的CNC基化学交联气凝胶(如图1所示)。

图1 a)海参皮肤的刚柔转变示意图。b)CNC基气凝胶化学交联示意图。c)气凝胶刚柔转变示意图。

  此时,基于氢键的溶剂化作用则能可逆地破坏CNC和PEG之间的氢键网络,CNC颗粒和PEG链段的运动因此得到了一个可控的限制开关,使CNC基气凝胶可实现由刚性向柔性、塑性形变向弹性形变的可逆转变(如图2所示)。

图2 具有不同分子量PEG的气凝胶在(a)空气中和(b)水中的应力应变曲线;c)在空气和水中的压缩模量;d)在空气中和e)水中的形状恢复率。

  最终,在调节PEG分子量后,CNC基气凝胶在空气中具有近MPa级的模量,而在湿态下该模量将下降至kPa级,这种可逆转变使此气凝胶可兼顾高度可加工性和使用力学性能(如图3所示)。

图3 具有不同分子量PEG的气凝胶在a)在DMF、b)乙醇和c)石油醚中的应力应变曲线;d)气凝胶在DMF、乙醇和石油醚中的压缩模量。气凝胶的形状恢复与溶剂的e)极性和f)溶度参数的关系。

  该研究成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.9b18569),论文的第一作者为西南大学化学化工学院硕士研究生李东,通讯作者为黄进教授甘霖副教授

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(责任编辑:xu)
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