干燥过程是制备气凝胶材料的关键步骤,该过程力求在升华或蒸发溶剂的同时最大程度地保留气凝胶骨架结构。但是传统冷冻干燥方法存在气凝胶结构破坏、孔径不易调控、干燥时间过长等问题。

四川大学杨刚教授团队提出了一种简单、高效的超声辅助-冷冻干燥(UAFD)方法制备高性能聚酰亚胺(PI)气凝胶,显著提升了隔热性能和疏水性能。

四川大学杨刚教授团队《CEJ》:超声辅助-冷冻干燥!制备气凝胶新方法
【制备机理及气凝胶结构特点】
超声波的空化作用产生的局部高压增加体系的过冷程度,从而诱导成核。

空化气泡破碎产生的压力梯度成为冷冻过程中的成核驱动力,使得溶剂在更短时间内完成液-固相转变,大大提升样品的冷冻效率。

四川大学杨刚教授团队《CEJ》:超声辅助-冷冻干燥!制备气凝胶新方法

(超声辅助-冷冻干燥对气凝胶结构调控机理示意图)
冷冻过程中初次成核完成后,空化气泡破裂产生的微射流及局部高温高压还能使冰晶碎裂并阻止其继续生长,减小晶体尺寸,避免破坏气凝胶结构和减小气凝胶孔径。
四川大学杨刚教授团队《CEJ》:超声辅助-冷冻干燥!制备气凝胶新方法
(超声辅助-冷冻干燥对气凝胶形貌影响及提升冷冻效率)
超声辅助冷冻所需的时间也大幅缩短。随超声功率增加,气凝胶孔径变小及孔径分布变窄,实现对气凝胶孔道结构的调控。
四川大学杨刚教授团队《CEJ》:超声辅助-冷冻干燥!制备气凝胶新方法
(气凝胶孔径调控)
【隔热性能】
通过该策略制备的气凝胶因其小孔径及低表观密度降低了气凝胶的固相传热系数、气相传热系数和辐射传热系数,使气凝胶展现出更优异的隔热性能。
 

气凝胶的低密度降低了分子链在升温过程中相互碰撞的概率,阻碍热传导。单位体积气凝胶中的丰富孔道结构增加了界面热阻,限制了热辐射在体系内的传播。

 

该方法降低了气凝胶平均孔径,进而限制了体系内气相内部的质点发生宏观相对位移。随超声功率的增大,气凝胶的密度以及孔径进一步降低,使得隔热性能进一步提升(下图)。

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(热重分析、导热系数测试、热态升温实验表征气凝胶的隔热性能)
【疏水性能】
超声辅助-冷冻干燥通过超声作用引入的剪切力以及其他机械作用形成丰富的开孔、卷曲和褶皱片层,使气凝胶表面凹凸不平,提高气凝胶的疏水性。快速冷冻过程能保留所形成的微纳米结构,提升气凝胶的疏水性和油水分离性能。
四川大学杨刚教授团队《CEJ》:超声辅助-冷冻干燥!制备气凝胶新方法
四川大学杨刚教授团队《CEJ》:超声辅助-冷冻干燥!制备气凝胶新方法
(三维激光显微成像、水接触角测试、吸水率测试、油水分离测试表征气凝胶的疏水性)

 

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▓ 来源:高分子科学前沿

▓ 责编:小棉袄

 

原文始发于微信公众号(保温材料与节能技术):四川大学杨刚教授团队《CEJ》:超声辅助-冷冻干燥!制备气凝胶新方法

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作者 ab

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