纤维素纳米晶(CNC)基气凝胶是一种低密度、高孔隙率、高比表面积、化学可修饰性的三维多孔固体材料,因其优异的性能而被广泛应用于吸附、催化、储能和传感等领域。然而,CNC基气凝胶的高强度和高模量也伴随着韧性不足的问题,限制了其作为柔性材料的应用,也增加了其加工和后处理的难度。其中的主要原因是CNC之间未受控制的氢键网络限制了CNC颗粒的运动。因此,亟需一种策略调控气凝胶的氢键网络以解决其刚性和脆性难题。
受海参皮肤启发,当其胶原纤维的交联网络被stiparin抑制剂削弱时,海参皮肤由刚性向柔性转变。黄进教授和甘霖副教授团队通过可形成氢键的柔性高分子聚乙二醇(PEG)对CNC进行化学交联,制备了一种包含氢键网络的CNC基化学交联气凝胶(如图1所示)。
图1 a)海参皮肤的刚柔转变示意图。b)CNC基气凝胶化学交联示意图。c)气凝胶刚柔转变示意图。
此时,基于氢键的溶剂化作用则能可逆地破坏CNC和PEG之间的氢键网络,CNC颗粒和PEG链段的运动因此得到了一个可控的限制开关,使CNC基气凝胶可实现由刚性向柔性、塑性形变向弹性形变的可逆转变(如图2所示)。
图2 具有不同分子量PEG的气凝胶在(a)空气中和(b)水中的应力应变曲线;c)在空气和水中的压缩模量;d)在空气中和e)水中的形状恢复率。
最终,在调节PEG分子量后,CNC基气凝胶在空气中具有近MPa级的模量,而在湿态下该模量将下降至kPa级,这种可逆转变使此气凝胶可兼顾高度可加工性和使用力学性能(如图3所示)。
图3 具有不同分子量PEG的气凝胶在a)在DMF、b)乙醇和c)石油醚中的应力应变曲线;d)气凝胶在DMF、乙醇和石油醚中的压缩模量。气凝胶的形状恢复与溶剂的e)极性和f)溶度参数的关系。
该研究成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces(DOI: 10.1021/acsami.9b18569),论文的第一作者为西南大学化学化工学院硕士研究生李东,通讯作者为黄进教授和甘霖副教授。
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