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苏州纳米所张学同研究员《ACS Nano》:纳米Kevlar液晶气凝胶纤维
发布时间:2022/9/9 16:51:37   浏览次数:856

气凝胶纤维具有超低密度、超高孔隙率、大比表面积等特点,同时具有气凝胶的多孔网络和纤维的细长几何形状,在保温方面比天然纤维和合成纤维具有关键优势,被认为是人类下一代高性能保温纤维。然而,如何在溶胶-凝胶的动态转变过程中控制生成的气凝胶纤维的砌块取向程度,以扩展其功能,用于新兴应用仍是一个巨大的挑战。

近日,中科院苏州纳米所张学同研究员课题组以Kevlar纳米纤维为原料,通过液晶纺丝、动态溶胶-凝胶转变、冷冻干燥、冷等离子体疏水等步骤,制备了不同砌块取向度的纳米Kevlar液晶(NKLC)气凝胶纤维制备的NKLC气凝胶纤维具有极高的机械强度(41.0 MPa)、优异的保温性能(0.037 W·m-1·K-1)和自清洁性能(与水接触角为154°)超疏水NKLC气凝胶纤维可以在气凝胶和凝胶状态之间循环转换,而不同砌块取向的凝胶纤维在偏振光下显示出不同的亮度。基于这些性能,用高低取向的NKLC气凝胶纤维机织或刺绣的数字纺织品可以在一平方米内实现高达6.0Gb的信息加密和按需解密。因此,调整砌块的取向度是赋予液晶气凝胶纤维性能的一种适当策略,其潜在应用范围将超出保温材料。相关工作以“Nanoscale Kevlar Liquid Crystal Aerogel Fibers”为题发表在《ACS Nano》上。


NKLC气凝胶纤维的制备过程包括:液晶湿纺、动态溶胶-凝胶转变、冷冻干燥、冷等离子体处理在偏振光学显微镜照片下,在较低浓度(6.0wt%)时,视野完全为黑色,说明此时Kevlar纳米纤维弥散处于无序状态。随着浓度的增加(7.0wt%),视野中出现亮点,这些亮点可以看作是取向结构的成核点。当浓度进一步增加到8.0wt%时,成核点合并为明亮区域,体系中出现明显的纹影结构。这种结构是向列液晶的特征光学结构。随着浓度的进一步增加(9.0wt%),整个区域出现纹影结构,形成稳定的向列液晶。如果浓度进一步增加,这种结构不会发生明显变化,因为各向异性区域不能扩展为长程有序结构。此外,利用偏光透镜组研究了NKLC拉伸前后的砌块取向。为了定量测定亮度,利用ImageJ软件对不同浓度、不同牵伸比制备的凝胶纤维的偏振光学照片进行了分析。除了特殊的光学性能外,轴向结构还会带来优异的机械强度。液晶凝胶纤维随着牵伸比从1.0增加到3.0,拉伸强度从2.2MPa显著增加到4.2MPa, 断裂伸长率从32%显著增加到45%。液晶凝胶纤维可以被密集的扭曲,并具有很高的柔韧性。此外,它可以悬挂100克重量,摆动或旋转幅度为60°。



【气凝胶纤维性能测试】

制备的NKLC凝胶纤维在偏振光下的亮度差异较大,但在正常光照下的外观差异可以忽略不计。对于相应的液晶气凝胶纤维,在正常光照下更难区分差异。液晶气凝胶纤维对普通光和偏振光都不透明。由于机械强度高,单根NKLC气凝胶纤维在115°下可以承受200g的拉伸载荷。为了探究NKLC气凝胶纤维的性能与结构之间的关系,利用SEM和广角X射线散射(WAXS)对NKLC气凝胶纤维的微观结构进行了研究。此外,对气凝胶纤维制成的纺织品的隔热性能进行了研究。气凝胶纤维毡的导热系数为0.037 W·m-1·K-1


【超疏水功能】

为了防止在潮湿环境下力学和保温性能的退化,创造性地将冷等离子体技术应用于NKLC气凝胶纤维的疏水功能化上。从气凝胶纤维的截面SEM图像可以看出,冷等离子体处理疏水功能化对多孔结构的影响不显著。疏水功能化后的XPS光谱中Si的存在证实了气凝胶纤维表面的疏水层。疏水功能化后,气凝胶纤维与水的接触角从82°增加到154°,这意味着气凝胶纤维由亲水变为超疏水。由疏水NKLC气凝胶纤维织成的纺织品可以防止日常生活中大多数液体的浸泡,如水、茶、牛奶、红酒、咖啡和可乐。而且这种疏水气凝胶纤维织物可以浮在水面上,不会被弄湿。表面的亲水染料可以很容易被水冲洗掉,没有任何液体残留,表现出优异的自清洁性能。

【信息存储和解密功能】

用气凝胶纤维设计制作了识别条形码(即信息),以直观地显示信息的加密、存储和解密。在正常光线和偏振光下,数字纺织品都不显示存储的信息。当用乙醇浸渍数码纺织品时,在正常光线下信息仍然隐藏。数码纺织品只有在凝胶状态和偏振光下才能识别,电脑也可以读取。此外,通过刺绣气凝胶纤维,还制造了一种具有二维码(作为隐藏密码)的数字纺织品。同样,只有通过浸泡在乙醇中并在偏振光下观察的解密过程才能显示二维码。然后通过图像处理得到准确的二维码。进而,提出了一种信息存储纺织品方案,用两种不同砌块取向的气凝胶纤维表示0和1,每8根气凝胶纤维组成一个字节。一个字节的长度是8根纤维的直径之和,宽度根据机织方式计算。如果光纤直径为10μm,字节宽度为2μm,那么每平方厘米的信息织物可以存储62.5万字节,也就是说,每平方米可以存储6.0Gb的信息。因此,数字纺织品可以存储大量的信息。



【小结】

总之,该研究以质子给体溶剂为凝固浴,通过相应的液晶纺丝,制备了具有可控砌块取向的NKLC凝胶/气凝胶纤维。相应的NKLC气凝胶纤维具有极高的机械强度(41 MPa)、优异的保温性能(0.037 W·m-1·K-1)以及超疏水性能(水接触角为154°)。此外,NKLC气凝胶纤维通过吸收乙醇和环境压力交替干燥,织成的织物可以在气凝胶-凝胶之间循环转移。用这些不同砌块取向度的NKLC气凝胶纤维机织或刺绣的数字纺织品,可以实现信息加密,显示出良好的信息安全性。因此,这些NKLC气凝胶纤维在隔热、信息加密、按需解密等方面显示了巨大的应用潜力。

来源:高分子科学前沿
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