蘇州納米所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)合作Advanced Materials：在尼龍氣凝膠制備與熱機(jī)械加工領(lǐng)域取得重要突破
氣凝膠作為一種超輕、高孔隙率、優(yōu)異隔熱性能的多孔材料，在能源、環(huán)境、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)氣凝膠材料（如無(wú)機(jī)、碳基、芳綸等）雖具備優(yōu)異的力學(xué)與熱學(xué)性能，卻因骨架剛性高、缺乏熱塑性，難以進(jìn)行熱切割、熱焊接、熱封裝、熱壓印等熱機(jī)械加工，極大地限制了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能化應(yīng)用。能否開(kāi)發(fā)出一種既具備高性能又具有良好熱塑性的氣凝膠材料，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海大學(xué)張阿方團(tuán)隊(duì)提出了一種溶解度-pKa耦合效應(yīng)（Solubility-pKa Coupling Effect）新策略，成功制備出一系列高性能熱塑性尼龍氣凝膠，并實(shí)現(xiàn)了其多功能熱機(jī)械加工。該工作以Solubility-pKa Coupling Effect Tailored Nanoporous Nylon Aerogel Family with Multiple Thermomechanical Processes為題發(fā)表在Advanced Materials上。
示意圖：基于溶解度參數(shù)-pKa耦合效應(yīng)構(gòu)建的納米多孔尼龍氣凝膠家族示意圖，展示其熱塑性變形能力及伴隨的熒光現(xiàn)象。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)協(xié)同調(diào)控溶劑溶解度參數(shù)（δ）與酸解離常數(shù)（pKa），實(shí)現(xiàn)了對(duì)尼龍高分子在溶液中的結(jié)晶行為與自組裝路徑的精確控制（圖1）。在合適的δ-pKa組合下，尼龍分子可沿一維方向自組裝形成交織的納米纖維骨架，從而構(gòu)建出具有高比表面積（最高達(dá)226 m2·g?1）、優(yōu)異壓縮模量（12.6 MPa）和超低導(dǎo)熱系數(shù)（0.034 W·m?1·K?1）的納米多孔尼龍氣凝膠。
圖1 溶解度-pKa耦合效應(yīng)調(diào)控尼龍氣凝膠納米纖維結(jié)構(gòu)的示意圖
值得注意的是，該方法具有廣泛的材料適用性。通過(guò)合理選擇溶劑與尼龍類(lèi)型，團(tuán)隊(duì)成功制備出了包括尼龍6、11、56、66、610在內(nèi)的尼龍氣凝膠家族（圖2）。這些氣凝膠不僅性能可與傳統(tǒng)高性能氣凝膠相媲美，更具備獨(dú)特的熱塑性，可通過(guò)熱加工實(shí)現(xiàn)多種功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用拓展。此外，該技術(shù)不僅適用于尼龍，還可推廣至PET、PEEK等工程塑料。
圖2 多種尼龍氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比
研究團(tuán)隊(duì)展示了多種熱機(jī)械加工技術(shù)（圖3,4）：熱封裝：通過(guò)在氣凝膠表面形成致密尼龍保護(hù)層，顯著提升其機(jī)械強(qiáng)度與阻隔性；熱切割與熱焊接：可實(shí)現(xiàn)氣凝膠的精準(zhǔn)形狀的定制化編輯與復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如無(wú)人機(jī)機(jī)身、魯班鎖）的裝配；熱壓印：可在氣凝膠表面構(gòu)建微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超疏水（荷葉效應(yīng)、花瓣效應(yīng)）與熒光圖案，應(yīng)用于信息加密與防偽。
圖3 尼龍氣凝膠的熱封裝、熱切割/焊接與熱壓印加工示意圖
特別值得關(guān)注的是，熱壓印處理還誘導(dǎo)氣凝膠產(chǎn)生熒光特性，其機(jī)制源于尼龍?jiān)诟邷叵碌臒嵫趸蔁晒獍l(fā)色團(tuán)。這一現(xiàn)象為氣凝膠在熱記錄、多級(jí)防偽等領(lǐng)域提供了新的應(yīng)用可能。
圖4 熱機(jī)械加工后尼龍氣凝膠的應(yīng)用
該研究突破了氣凝膠領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的“骨架剛性-可加工性”矛盾，為設(shè)計(jì)兼具高性能與多功能加工特性的熱塑性氣凝膠提供了全新的理論框架與技術(shù)路徑。所開(kāi)發(fā)的尼龍氣凝膠在輕質(zhì)隔熱結(jié)構(gòu)、柔性器件、智能包裝、航空航天熱管理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。碩士生陳健和李立山副研究員為該論文共同第一作者，張阿方教授和張學(xué)同研究員為論文共同通訊作者。研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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