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濱州世界最輕固體有望在中國量產(chǎn) 密度僅為空氣1/6

文章出處:本站    人氣:52134    發(fā)表時間:2018-01-16 10:32:11

10月16日,據(jù)中國科學(xué)報報道,輕固體有望在中國量產(chǎn),密度僅為空氣1/6。

輕固體物質(zhì)有望規(guī)模化生產(chǎn)

日常生活中氣凝膠的使用仍然十分罕見,對它的應(yīng)用研究大多停留在實驗室階段,或集中在少數(shù)的高精尖域。

密度僅為空氣的1/6、高孔隙率、大比表面積和低的熱導(dǎo)率……氣凝膠身上如此不錯的性質(zhì),使它毫無疑問地榮升為上輕的固體物質(zhì)。據(jù)報道,目前氣凝膠的低密度可以達(dá)到0.16mg/cm3。

鑒于此,諸多科學(xué)家把氣凝膠認(rèn)為是“改變的神奇材料”,并預(yù)言將在化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)以及航空航天、生命科學(xué)等域具有重要的應(yīng)用前景。

上第塊氣凝膠誕生于1931年,美國科學(xué)家Kistler次使用超臨界干燥法將二氧化硅凝膠中的液體用空氣置換出來,完整地保持了凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),得到了半透明的二氧化硅氣凝膠。鑒于氣凝膠特的性質(zhì),自問世以來氣凝膠材料的研究直受到廣泛的關(guān)注。

應(yīng)用研究停留在實驗室

然而,時至今日,在我們的日常生活中氣凝膠的使用仍然十分罕見,對它的應(yīng)用研究大多停留在實驗室階段,或集中在少數(shù)的高精尖域。

究其原因,主要有兩方面:第,氣凝膠低密度、高孔隙率的特點使得這種材料非常脆弱,在實際應(yīng)用環(huán)境中的耐用性較差;第二,凝膠的干燥過程非常復(fù)雜,常規(guī)條件會導(dǎo)致嚴(yán)重的體積收縮,通常須使用超臨界干燥技術(shù),涉及高溫高壓、特殊裝置,且制備程序煩瑣、非連續(xù)、周期長、產(chǎn)量低,使得它的生產(chǎn)成本居高不下。

針對二氧化硅氣凝膠強(qiáng)度差的弱點,目前個行之有效的手段是在二氧化硅凝膠中引入有機(jī)組份。

在這方面,國內(nèi)外的研究人員通過努力,的確已經(jīng)得到具有定柔韌性的有機(jī)—無機(jī)雜化氣凝膠。但遺憾的是,這種方法的弊端在于使氣凝膠的制備工藝更加煩瑣,同時還伴隨著氣凝膠密度的大幅度增加,而這,卻與其低密度的特點相悖。

另方面,為了替代超臨界干燥技術(shù),研究人員也在不斷探索新的干燥技術(shù)。如常壓干燥法,既不涉及高壓,又在干燥過程中對凝膠有增強(qiáng)作用。

但由于這種方法無法避免毛細(xì)力對凝膠孔結(jié)構(gòu)的破壞,因此所制備的樣品仍會發(fā)生收縮,嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致樣品破碎,難以大規(guī)模制備,同時常壓干燥法需要使用大量的溶劑,難以避免高成本和環(huán)境污染問題。因此,通過經(jīng)濟(jì)、便捷的途徑制備力學(xué)性能異的低密度氣凝膠具有重要意義。

簡便制備技術(shù)和性能化獲突破

近,從中國科學(xué)院化學(xué)研究所傳來好消息:該所徐堅研究員和趙寧副研究員帶的團(tuán)隊在自然科學(xué)基金委、科技部的大力支持下,在氣凝膠材料簡便制備技術(shù)和性能化方面取得了新進(jìn)展。

他們通過分子設(shè)計,以巰基—雙鍵點擊反應(yīng)制備了含有硫醚鏈段的橋聯(lián)倍半硅氧烷前驅(qū)體,在分子尺度上引入有機(jī)組分,這種有機(jī)—無機(jī)雜化分子兩端是三烷氧基硅基,經(jīng)水解縮合后可表現(xiàn)出良好的剛性和尺寸穩(wěn)定性,中間柔順的硫醚鏈段則可賦予凝膠骨架彈性。

令人欣喜的是,這種橋聯(lián)倍半硅氧烷凝膠可直接在室溫下真空干燥得到氣凝膠,大地簡化了氣凝膠的制備過程,得到的氣凝膠不但完整保留了濕凝膠的初始尺寸,而且質(zhì)地均、密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、比表面積高,具備傳統(tǒng)方法制備氣凝膠的良特性。

研究表明,在真空下凝膠中的溶劑揮發(fā)過程中,柔性的硫醚鏈段使得彈性凝膠骨架能夠通過改變構(gòu)象來承受毛細(xì)力的擠壓,其較低的性也有助于減弱凝膠與溶劑之間的相互作用;溶劑快速揮發(fā)也縮短了毛細(xì)力的作用時間,減輕了應(yīng)力積累對凝膠孔結(jié)構(gòu)的破壞作用;同時,溶劑的快速蒸發(fā)帶走了大量熱量,體系溫度迅速下降,降低了硅羥基的反應(yīng)活性,減少了不可逆形變的產(chǎn)生,這對于保持凝膠的結(jié)構(gòu)非常有利。

與傳統(tǒng)的二氧化硅氣凝膠相比,這類型的橋聯(lián)倍半硅氧烷氣凝膠還表現(xiàn)出異的柔韌性和彈性,能在50%的形變下仍保持結(jié)構(gòu)不被破壞,并可在30%的形變下反復(fù)壓縮多次后迅速回彈而不產(chǎn)生長久變形。

如果將其再次浸泡在乙醇或水中,經(jīng)真空干燥后,橋聯(lián)倍半硅氧烷凝膠仍能夠保持宏觀和微觀結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化,這為通過簡單的濕化學(xué)或物理浸漬方法對該氣凝膠骨架表面進(jìn)行功能化改性提供了可能。

例如,他們將該氣凝膠浸泡在聚乙烯亞胺(PEI)水溶液或乙醇溶液中,干燥后可在氣凝膠骨架表面形成層PEI涂層,得到具有很高二氧化碳吸附效率的吸附材料。相關(guān)技術(shù)已申請,研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在近期的《先進(jìn)材料》雜志。

據(jù)悉,這是國際上次以真空干燥技術(shù)制備氣凝膠材料的報道。這種制備方法簡便、材料性能異、易于表面功能化的氣凝膠材料有望實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn),為氣凝膠在眾多域中的實際應(yīng)用奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。


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