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美國東北大學(xué)鄭義教授、Marilyn L. Minus教授團隊：易于制造的高透明薄型聚乙烯醇氣凝膠
2024-11-10  來源：高分子科技

  氣凝膠是一種新型多孔材料且為開孔結(jié)構(gòu)。最早的硅基氣凝膠因其納米級多孔結(jié)構(gòu)和高透明度而受到關(guān)注，但它們的機械性能較差，導(dǎo)致整體性能不夠均衡。其脆弱的結(jié)構(gòu)限制了這一新興材料的發(fā)展。之后聚合物基氣凝膠被制造，但在改善機械性能的同時，往往很難保證高透明度。聚乙烯醇（PVA）是一種無色無味的聚合物，具有水溶性、低毒性和生物相容性。到目前為止，有關(guān)于具備優(yōu)異的透明度和機械性能的聚乙烯醇氣凝膠的相關(guān)研究寥寥無幾。


  近期，美國東北大學(xué)Yi Zheng教授和Marilyn L. Minus教授團隊以保持透明度的同時優(yōu)化氣凝膠的機械性能為目標(biāo)，研制了一款新型透明PVA氣凝膠并發(fā)明了一種一步凝膠化方法，以促進溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。相比于冷凍-解凍法，這種一步凝膠化方法保持了PVA氣凝膠的高透明度，并減少了凝膠化過程所需的時間。該工作填補了有關(guān)于簡單制造透明聚合物基氣凝膠且同時保證優(yōu)秀的機械性能的空白。


  該工作以題為“Ease-of-manufacture Highly Transparent Thin Polyvinyl Alcohol Aerogel”發(fā)表在《Scientific Reports》上。文章第一作者是美國東北大學(xué)博士研究生李曉莉。


圖1.新型氣凝膠的制備路線示意圖，以及通過不同凝膠化方法制備的12%氣凝膠。(a) 通過一步靜置法制備的透明氣凝膠；(b) 通過冷凍-解凍法制備的不透明氣凝膠；(c) 相圖顯示三種不同干燥方法的路徑。


圖2. 在置換過程中，不同濃度（10%至15%）PVA濕凝膠的DMSO殘余重量隨時間變化的曲線圖。


圖3. 不同重量百分比的不透明氣凝膠：(a) 2%；(b) 4%；(c) 10%；(d) 12%；(e) 20%；(f) 28%；帶有氣泡的不同重量百分比透明氣凝膠：(g) 20%；(h) 24%；(i) 28%；不同重量百分比的透明且均勻的氣凝膠：(j) 10%；(k) 13%；(l) 15%。


圖4. 不同濃度PVA氣凝膠的拉伸模量。


圖5. 不同放大倍數(shù)和濃度下PVA氣凝膠的SEM圖像。(a)至(f)表示10%至15%不同濃度的PVA氣凝膠，而子圖(1)至(3)分別表示5000倍、30,000倍和60,000倍的放大倍數(shù)。


圖6. 10%至15%不同濃度PVA氣凝膠的孔徑和粒徑。


圖7. (a) 透明PVA氣凝膠（濃度為10%至15%）及不透明PVA氣凝膠的透過率曲線；(b) 10%至15%濃度透明PVA氣凝膠及不透明PVA氣凝膠的線性衰減系數(shù)隨波長變化的曲線。


挑戰(zhàn)與展望：


  最初，考慮到最早發(fā)現(xiàn)的硅氣凝膠的脆性和較差的機械性能，這一缺點限制了氣凝膠的應(yīng)用發(fā)展。因此，改善氣凝膠的機械性能被設(shè)定為主要目標(biāo)。因此，材料選擇聚焦于聚合物。實驗方向設(shè)定為純物理交聯(lián)，未使用任何交聯(lián)劑，以簡化和加速生產(chǎn)過程。因此，選擇聚乙烯醇（PVA）作為原料，嘗試氣凝膠的生產(chǎn)，因其能夠通過側(cè)鏈羥基自交聯(lián)形成氫鍵。在材料選擇之后，生產(chǎn)方法進行了實驗、分析和改進。對冷凍-解凍法的對比分析表明，該方法無法保證PVA氣凝膠的透明度。考慮到實驗過程的時間效率，發(fā)明了一種一步靜置法以促進溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。一步靜置法不僅保持了PVA氣凝膠的高透明度，還減少了凝膠化過程所需的時間，相較于冷凍-解凍法。隨后，測試了濃度范圍為2%至28%的PVA，揭示了低濃度時的卷曲、原始邊緣以及高濃度時氣泡的形成等問題。生產(chǎn)過程進一步改進，并確定了10%至15%的安全濃度窗口，確保了穩(wěn)定、薄且透明的PVA氣凝膠的生產(chǎn)。


  本研究采用二氧化碳超臨界干燥技術(shù)，以確保結(jié)構(gòu)的最小塌陷并最大限度地保留多孔結(jié)構(gòu)。一步靜置PVA氣凝膠在1333 nm波長下的透過率可達到93.67%。使用掃描電子顯微鏡觀察了不同一步靜置PVA濃度下氣凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。應(yīng)用比爾-朗伯定律消除了樣品厚度對透明度的影響。首次研究并分析了PVA氣凝膠的透明度、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀濃度之間的關(guān)系。在確保光透過率的同時，一步靜置PVA氣凝膠在13 wt%濃度下的模量達到了6.18 ± 0.56 MP。使用ImageJ分析了濃度范圍為10%至15%的樣品的SEM圖像，每個樣品至少進行了50次測量以確定孔徑。記錄了孔徑的標(biāo)準(zhǔn)差，因為它可以代表孔徑的均勻性。濃度為10%和15%的樣品的孔徑處于相同量級，主要在幾十納米范圍內(nèi)。此外，內(nèi)部骨架直徑可以被視為開放孔結(jié)構(gòu)氣凝膠的粒徑。在本研究中，PVA氣凝膠的粒徑遠小于波長，符合瑞利散射的條件，這也解釋了氣凝膠為何呈現(xiàn)淺藍色。對不透明樣品的光透過率曲線和線性衰減系數(shù)隨波長變化的曲線也與透明樣品進行了比較。比較結(jié)果明顯，一步靜置法制成的PVA氣凝膠具有顯著的透明度。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-77198-9

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