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炭气凝胶是一种重量轻、带孔的固态材料,可用于增强复合材料并提高其热性能和机械性能。

聚合物纳米复合材料,是由单独分散的纳米填料(通常是天然粘土、合成粘土、纳米二氧化硅、纳米陶瓷、纳米碳酸钙和碳纳米管)和聚合物基体组成的一种重要材料,常被用作常规填充聚合物的替代物。这些复合材料表现出优于纯聚合物和其传统复合材料的性能,因此与传统材料相比非常具有竞争性。这些特性包括提高的模量、强度、韧性、耐热性、阻燃性、液体和气体阻隔性,改进的溶解性和耐磨性,降低的收缩和残余损失,以及改进的电学和光学性质。然而,对于许多应用来说,减少能量和材料消耗将是非常必要的,因此有必要减小纳米复合材料的重量。

迄今为止,降低散装材料的质量和密度的有效方法是在复合材料合成或后处理过程中产生孔隙。尽管如此,介孔纳米填料形式为一些工程聚合物纳米复合材料中的增强剂提供了新颖且轻质的替代物。这些纳米填料形式是合适的,因为它们具有高表面积和有组织的孔隙率。填料的介孔性意味着它们可以捕获聚合物链,因此可以实现聚合物和填料之间更高水平的相互作用。例如,气凝胶是具有独特性能(例如密度极低、开孔大、表面积大)的有趣的固体材料。它们由三维网状结构组成,具有高度交联结构形式的大量充气孔。因此,气凝胶与介孔结构填料相当,可以用作聚合物纳米复合材料的增强剂。的确,气凝胶可以促进多功能纳米复合材料的有效制造(即首先制备和优化气凝胶,并且随后将聚合物基体回填到其网络中)。

虽然之前有过几篇关于层状硅酸盐和碳纳米管增强的聚合物纳米复合材料的综述,但气凝胶增强的聚合物复合材料还没有以类似的方式进行研究。因此,我们最近介绍了使用气凝胶作为聚合物纳米复合材料的增强材料的现有技术的概况。我们特别着重于确定材料的基本结构-性质之间的关系。在这项工作中,我们简要介绍了如何评估炭气凝胶/环氧纳米复合材料的结构和形态。我们还展示了具有一定范围的气凝胶含量(0-5wt%)的一系列炭气凝胶/环氧纳米复合材料的热性能和机械性能。

为了表征气凝胶-聚合物纳米复合材料的性能并且表征它们对外部刺激(例如应力梯度或热循环)的响应,理解材料的结构和形态是重要的。例如,过渡电子显微镜可以用来评估纳米复合材料的微观结构特征(见图1)。从这两幅图像我们可以看出,尽管图1(a)所示的二氧化硅气凝胶的纳米孔被纳米复合材料中的环氧树脂浸没了,但是图1(b)却保留了三维网状结构。

图1(a)二氧化硅气凝胶和(b)二氧化硅气凝胶/环氧纳米复合材料的过渡电子显微镜图像

从表1中给出的结果可以观察到颗粒含量对气凝胶/环氧树脂纳米复合材料的机械性能的影响。随着气凝胶含量的增加,样品的杨氏(弹性)模量单调递增(即从净环氧树脂的2.77GPa到0.5wt%的气凝胶样品的2.94GPa),但是这种关系是非线性的。我们还发现,在环氧树脂中掺入少量气凝胶会显著影响纳米复合材料的拉伸强度。相反,较高含量的炭气凝胶(即大于0.3wt%)导致复合材料的拉伸强度降低。此外,我们注意到拉伸强度取决于气凝胶在环氧基体中的均匀分散。最大拉伸强度值(84.1MPa)出现在0.3wt%处,因此被确定为最佳的气凝胶含量。事实上,增加0.3wt%以上的气凝胶含量不会改善材料的断裂韧性。结果还表明,在气凝胶含量为0.3wt%的情况下,出现最大断裂能值(255J m-2),并且随着气凝胶含量的增加而下降。

表1 含有0.0-0.5wt%气凝胶的环氧/炭气凝胶纳米复合材料样品的玻璃化转变温度(Tg)和机械性能

Carbon aerogel (wt%) Tg (°C) Young's modulus (GPa) Tensile strength (MPa) Fracture toughness (MPa m1/2) Fracture energy (J m−2)
0.0 147.8±1.5 2.77±0.02 79.3±0.5 0.76±0.03 125.0±3.2
0.1 146.8±2.0 2.83±0.03 80.2±0.3 1.39±0.06 199.8±14.0
0.2 147.2±3.2 2.84±0.01 83.2±1.8 1.47±0.05 246.7±6.32
0.3 145.3±1.8 2.84±0.03 84.1±0.9 1.53±0.12 255.9±10.2
0.4 146.5±2.6 2.85±0.02 82.0±1.6 1.31±0.10 231.6±12.0
0.5 145.5±3.8 2.94±0.03 81.2±1.1 1.31±0.08 219.5±8.9

总之,气凝胶增强的聚合物复合材料由于气凝胶的高表面积以及在聚合物基体和气凝胶表面之间发生的有利的界面相互作用而表现出增强的热性能和机械性能。因此气凝胶具有用于聚合物基纳米复合材料的巨大潜力,并且制造气凝胶/聚合物纳米复合材料是获得能够用于许多应用要求具有独特性质(例如用于阻尼和绝缘目的)的超轻泡沫状材料的相对简单的方式。气凝胶增强的复合材料也可以适用于医疗(例如整形外科和牙科)和可持续能源应用。杂化气凝胶/纤维聚合物纳米复合材料是未来在这一领域研究的另一个有趣的话题,我们特别热衷于在不久的将来生产气凝胶聚合物纳米复合纤维。在我们即将开展的与瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)合作中,我们将研究二氧化硅气凝胶/环氧纳米复合材料的流变学和热力学性质。

作者信息

Saeed Salimian
Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology

Saeed Salimian is a PhD student whose research is focused on mesostructured materials, specifically mesoporous silica–polymer hybrid nanocomposites. He also has experience in the synthesis of mesoporous silica (aerogel), which is used as a reinforcement in polymer-based nanocomposites.

Ali Zadhoush
Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology

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