东北林大韩广萍/程万里/白龙CEJ：源自杂化纳米纤维网络的隔热及电活性蜂窝状纤维素复合气凝胶-山东化工网

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东北林大韩广萍/程万里/白龙CEJ：源自杂化纳米纤维网络的隔热及电活性蜂窝状纤维素复合气凝胶

文章来源：新材料在线更新时间：2022-12-09 13:47:37

近年来，具有抗疲劳性的轻质弹性体可以满足可穿戴电子设备、柔性传感器和便携式设备等的实际使用需求而引起了广泛关注。考虑到多变的实际使用环境，具备较宽的温度使用范围、高的抗疲劳性、及高灵敏度的导电气凝胶材料是最有前途的候选者之一。然而，为了满足良好导电性要求，这些气凝胶通常由昂贵的导电纳米材料组成或涉及高温碳化，制备过程繁琐且高耗能，易造成难以控制的体积收缩和电阻，有悖于双碳目标的实现。因此，迫切需要开发一种低成本可持续的、非碳基的弹性气凝胶。基于此，作者报道了一种基于双纤维杂化策略，由纤维素纳米纤维（有机相）和二氧化硅纳米纤维（无机相）交织缠绕组成的有序蜂窝状结构气凝胶，实现了非碳化条件下的超弹性和抗疲劳性，并原位聚合聚吡咯使其获得电活性，具有高应力范围下的高应变灵敏度和压缩灵敏度，实现了耐极端温度和人体活动信号检测，在隔热材料及应变传感器等应用领域有广阔的应用前景。该研究以题为“Thermally insulating and electroactive cellular nanocellulose composite cryogels from hybrid nanofiber networks”，发表于Chemical Engineering Journal。

【CNF/SiO2气凝胶的制备】

CNF/SiO2气凝胶是通过冰模板法制备获得的，将纤维素纳米纤维（TEMPO-CNF）和电纺制二氧化硅纳米纤维（SiO2）经过高速均质机均质混合，再添加一定量的甲基三甲氧基硅烷（MTMS）作粘合剂。冰模板法能够帮助气凝胶获得蜂窝状的微观结构，而双网络纳米纤维相互缠结，进一步提升了机械强度和结构稳定性。在简单的原位负载聚吡咯后，可以获得具备电活性的PPy@CNF/SiO2。

图1. CNF/SiO2气凝胶的合成示意图

【CNF/SiO2气凝胶的机械性能】

合成的CNF/SiO2气凝胶可以被大范围的压缩且能够恢复到原本的高度，稳定的双网络纤维和蜂窝状孔结构可以有效分散应力，并且能够在撤去外力后恢复至初始状态。在抗疲劳测试中，仅观察到轻微的塑性变形（第 100 次循环时为 3.57%，第 1000 次循环时为 7.14%），具备出色的抗疲劳性能。且在低温（液氮）和液体（乙醇）条件下也保持了超弹性和环境适应性。

图2. CNF/SiO2气凝胶的机械强度和形状恢复

【CNF/SiO2气凝胶的隔热性能】

由于SiO2纳米纤维和甲基三甲氧基硅烷的加入可以明显提高CNF基气凝胶的热稳定性，结合各向异性的CNF/SiO2气凝胶的超高孔隙率（99.37%），该材料在隔热应用领域也具备广阔的前景。CNF/SiO2气凝胶显示出最低的径向和轴向热导率分别为29.7 和 34.5 mW m-1K-1，显著低于纯CNF气凝胶的44.3和46.3 mW m-1 K-1。在150°C加热平台持续加热1h后，表面温度保持在45.4°C，仅略高于初始温度。结果表面表明，所设计的CNF/SiO2气凝胶具备出色的热稳定性和隔热性能。

图3. CNF/SiO2气凝胶的热稳定性和各向异性隔热性能

【PPy@CNF/SiO2气凝胶用于传感器】

得益于CNF/SiO2气凝胶的优异结构稳定性、抗疲劳性能和环境稳定性，仅通过简单的原位聚合生长聚吡咯，在气凝胶中形成三维导电网络，即可使所得的PPy@CNF/SiO2气凝胶表现出良好的线性压缩灵敏度（在18 kPa下，S = 6.63）和高应变灵敏度（在4%应变下，GF = 9.38），不仅优于其他纤维素基气凝胶，也高于多数已报道的碳基气凝胶。优异的灵敏度可归因于聚吡咯均匀覆盖和高度可压缩、弹性、有序的蜂窝状结构。此外，PPy@CNF/SiO2气凝胶也能够准确的捕捉和记录人体运动信号和脉搏等，有望应用于可穿戴电子设备、电子皮肤和人体检测等。

图4. 压力传感测试和基于PPy@CNF/SiO2气凝胶的传感器在测量生理信号中的应用

【小结】

综上所述，该研究提出了一种基于双纳米纤维组装的气凝胶成型策略，该气凝胶包含由冰晶形成的蜂窝状孔结构，具有超弹性、隔热和电活性特性。CNF与柔性SiO2纳米纤维相互缠绕交织组成三维网络，从而形成高度有序的多孔结构。表现出显著的弹性、抗疲劳性、环境适应性和良好的隔热性（29.7 mW m-1 K-1）。经原位聚合生长聚吡咯后，可进一步开发应变传感器材料，具有出色的灵敏度（4%应变下应变灵敏度高达 9.38，18kPa下压缩灵敏度高达18 kPa）。该双纳米纤维气凝胶为创建高性能、多功能和超弹性平台提供了一条可行的途径，为下一代可穿戴传感器材料开发提供了解决方案。