隨著全球溫室效應(yīng)和水污染的加劇，開發(fā)用于污水凈化和綠色建筑的輕質(zhì)、多孔、多功能材料具有重要的意義。由于其低密度、高孔隙率和低導(dǎo)熱性等特性，氣凝膠在科學(xué)研究和工程應(yīng)用方面都引起了廣泛關(guān)注。然而，盡管近年來開發(fā)具有綜合性能的新型氣凝膠有了不少進(jìn)展，但目前其機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性以及不同組分間的相容性仍是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。
復(fù)旦大學(xué)游波教授等人受丹參葉強(qiáng)疏水特性的啟發(fā)，制備了一種具有丹參葉狀結(jié)構(gòu)的新型超疏水性多功能芳綸-聚酰亞胺納米復(fù)合氣凝膠。作者通過原位硅氧烷縮聚方法在氣凝膠表面覆蓋了許多球形和半球形二氧化硅納米粒子，用于構(gòu)建類似丹參葉的超疏水氣凝膠。該氣凝膠表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能和超疏水性，水接觸角為152°，滾動角為8.3°。此外，該氣凝膠具有低熱導(dǎo)率、優(yōu)異的金屬離子吸附能力和出色的油水分離能力，即使在壓縮50次后仍能保持80%的吸附容量。這項工作為以更通用和實用的方式制造仿生高性能輕質(zhì)材料提供了新的思路。該研究以題為“Superhydrophobic and Multifunctional Aerogel Enabled by Bioinspired Salvinia Leaf-Like Structure”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
【丹參葉狀氣凝膠的制備】
受丹參葉的特殊結(jié)構(gòu)和性能啟發(fā)，作者提出了一種簡單而通用的原位硅氧烷縮聚反應(yīng)來制備多孔結(jié)構(gòu)的超疏水和多功能硅氧烷增強(qiáng)的芳綸-聚酰亞胺納米復(fù)合氣凝膠。作者首先通過冷凍澆鑄和酰亞胺化方法制備氣凝膠骨架，然后利用部分硅氧烷單體在多孔骨架結(jié)構(gòu)上形成薄膜，以提高氣凝膠的力學(xué)性能。剩余的硅氧烷演變成二氧化硅顆粒，通過Si-O-Si鍵固定在骨架上，以此來模擬丹參葉的粗糙表面。最后，作者通過低表面能硅氧烷對其進(jìn)行改性以獲得超疏水氣凝膠。由于粗糙表面和低表面能的結(jié)合，所得氣凝膠無法被水滴潤濕，表現(xiàn)出良好的超疏水特性。
【氣凝膠的機(jī)械、疏水性能】
作者進(jìn)一步研究了氣凝膠的機(jī)械性能，以了解硅氧烷的強(qiáng)化作用。在原位硅氧烷縮聚后，氣凝膠的最大應(yīng)力和壓縮模量分別提高了174%和245%。這是由于氣凝膠表面的聚有機(jī)硅氧烷薄膜有效提高了氣凝膠的機(jī)械性能。此外，氣凝膠表現(xiàn)出了優(yōu)異的彈性，即使應(yīng)變增加到60%，也可完全恢復(fù)。基于Cassie-Baxter模型，作者結(jié)合粗糙的微納米結(jié)構(gòu)與低表面能設(shè)計得到了超疏水的氣凝膠材料，其動態(tài)防水行為顯示出低粘附性，水接觸角為152°，滾動角為8.5°。氣凝膠表面的水滴可以通過超親水紙輕松去除，且無任何殘留。高度多孔結(jié)構(gòu)和由球形和半球形二氧化硅納米粒子構(gòu)成的粗糙表面產(chǎn)生了微納米結(jié)構(gòu)和低表面能的完美結(jié)合，從而模仿了丹參葉并實現(xiàn)了超疏水行為。
【丹參葉狀氣凝膠的多功能應(yīng)用前景】
基于高度多孔的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的壓縮行為和超疏水性，作者進(jìn)一步探索了氣凝膠的潛在應(yīng)用，如隔熱、金屬離子吸附和油水分離。由于固有多孔結(jié)構(gòu)和低密度，氣凝膠展現(xiàn)出低熱導(dǎo)率≈28.4 mW (m K)?1。作者通過紅外相機(jī)證實了氣凝膠良好的隔熱能力，有望應(yīng)用于保溫領(lǐng)域。此外，氣凝膠可用于對金屬離子的吸附，銅離子能被氣凝膠快速去除，吸附效率在20分鐘內(nèi)達(dá)到近100%。作者還展示了超疏水氣凝膠的油水分離性能，能將氯仿、正己烷迅速吸收，且50次循環(huán)后仍保持≈80%的初始吸附容量。第50次吸油后，作者測量了氣凝膠的水接觸角，仍能達(dá)到150°。這些結(jié)果進(jìn)一步證明了聚有機(jī)硅氧烷薄膜和二氧化硅顆粒在芳綸-聚酰亞胺納米復(fù)合氣凝膠表面的穩(wěn)定性以及由此獲得的氣凝膠的持久超疏水性。
總結(jié)：作者通過原位硅氧烷縮聚法成功地仿生丹參葉的微觀表面形態(tài)和疏水行為，構(gòu)建了硅氧烷增強(qiáng)的芳綸-聚酰亞胺納米復(fù)合氣凝膠。在粗糙表面和低表面能的共同作用下，該氣凝膠的水接觸角為152°，滾動角為8.3°，顯示出其優(yōu)異的超疏水性。此外，該氣凝膠表現(xiàn)出接近空氣的低熱導(dǎo)率、優(yōu)異的金屬離子吸附能力和出色的油水分離能力。這項工作為高性能氣凝膠的開發(fā)提供了一種通用且方便的新策略。
