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最新消息| 復旦大學葉明新、沈劍鋒《自然·通訊》:超彈性負泊松比PI氣凝膠... | 2021-12-15 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.163.com/dy/article/GE7L5BM905329TW8.html" 美國挑戰者號航天飛機在起飛后73秒內發生爆炸，震驚了全世界。事故原因是由于右側固態火箭推進器上的一個橡膠O型圈在低溫下發生了彈性失效。航空航天領域中的超低溫環境對航天器和相關設備中彈性材料的性能提出了重大挑戰。例如，火星表面的最低溫度為130-140K，而月球兩極的溫度低至50K。 圖1.美國挑戰者號航天飛機爆炸的原因是右側固態火箭推進器上的一個橡膠O形環失效 目前，大多數傳統的固有彈性材料，如熱塑性彈性體、天然合成橡膠，在超低溫環境中通常會失去其固有彈性。現有的解決方案主要是基于碳和陶瓷結構的彈性氣凝膠；其三維網絡結構賦予了材料良好的彈性和對超低溫條件的出色耐受性。例如，石墨烯涂覆的碳納米管(CNTs)氣凝膠和碳納米纖維(CNFs)氣凝膠可在173K下承受50%至90%的壓縮應變。該類石墨烯氣凝膠可在77K的98%壓縮應變下或在4K超低溫下的90%應變下保持彈性。此外，BN納米帶和納米纖維SiO2基復合材料的陶瓷氣凝膠也具有77K的壓縮超彈性。這些新出現的碳和陶瓷氣凝膠推動了超低溫環境彈性材料的發展，但其復雜的制造工藝和高成本限制了其進一步的應用。在此背景下，最近的一項報道展示了一種由低成本殼聚糖和三聚氰胺-甲醛樹脂構成的聚合物氣凝膠，在液氮溫度（77K）下具有超彈性，這為進一步開發耐超低溫的彈性聚合物材料開辟了新途徑。在聚合物材料中，聚酰亞胺(PI)對極端條件（火災、輻射、化學腐蝕、低溫和高溫等）具有顯著的耐受性，因此是應用于超低溫下彈性材料的潛在理想候選材料。目前，基于聚酰胺酸銨鹽(PAAS)的水溶性PI預聚液的冷凍澆鑄技術已經被廣泛應用于彈性PI氣凝膠的制造。然而，上述策略中冷凍干燥后的熱酰亞胺化不可避免地會導致高達40%的收縮變形，極大地損害了彈性PI氣凝膠的可壓縮性。此外，由于聚酰胺酸（PAA）的鹽化不完全，PAAS在水中的分解無法完全避免，導致彈性PI氣凝膠由于分子量低而影響其回彈性能。最近出現的電紡納米纖維PI氣凝膠提供了一種有效的途徑來避免PAAS在水中的大量收縮和分解，但電紡工藝的結合使整個制造過程復雜化并增加了成本。 鑒于此，復旦大學葉明新教授、沈劍鋒教授團隊開發了基于可量產和低成本的取向二甲基亞砜晶體輔助冷凍凝膠化和冷凍干燥策略，實現了共價交聯聚酰亞胺(PI)氣凝膠在超低溫(4K)下的超彈性（99%的彈性壓縮應變），在劇烈熱沖擊(ΔT=569K)后彈性損失幾乎為零，以及具有可以承受超過5000次壓縮循環的抗疲勞性能。這項工作為構建在超低溫下具有超彈性的聚合物材料提供了一條新途徑，并有望廣泛應用于今后的航空航天探索中。該研究以題為“Super-elasticityat4KofcovalentlycrosslinkedpolyimideaerogelswithnegativePoissonsratio”的論文發表在最新一期《NatureCommunications》上。 【高彈性PI氣凝膠的制備】 首先，作者在室溫下將乙酸酐和三乙胺加入由4,4-氧二苯胺（ODA）和4,4-氧-二鄰苯二甲酸酐（ODPA）在DMSO溶劑中合成的PAA預聚液中，通過化學酰亞胺化獲得了用酐封端的PI低聚物。隨后，作者將含有PI低聚物和1,3,5-三氨基苯氧基苯(TAB)交聯劑的DMSO溶液添加到預先設計的模型中，進行可編程的溫度梯度，進行定向冷凍凝膠化過程。在最初的冷凍凝膠階段，DMSO晶體從外圍到中心水平生長，由于預先設計的模型和溫度調整，導致晶體呈放射狀分布。之后，共價交聯的PI在垂直生長的DMSO晶體之間形成。最后，經過冷凍干燥去除DMSO和熱處理將殘留的PAA單元轉化為PI后，獲得了具有徑向分布蜂窩結構的3D蜂窩狀PI氣凝膠。得到的PI氣凝膠的交聯度可以通過調節ODPA、ODA和TAB的摩爾比來控制。 圖2.構建超彈性PI氣凝膠的示意圖。設計和合成具有共價交聯、徑向分布的微結構和不同形狀的PI氣凝膠。 圖3.DMSO溶劑共價交聯PI氣凝膠的制備過程。 【高彈性PI氣凝膠的機理】 作者利用DMSO的良好溶解性，實現了化學酰亞胺化過程和共價交聯結構來制造PI氣凝膠，協同減輕了所得氣凝膠的體積收縮。通過DMSO化學酰亞胺化制備的PI氣凝膠顯示體積收縮率小于7.3%，遠優于熱酰亞胺化的19.5-25.3%。這主要是因為化學酰亞胺化可以在熱退火之前將PAA轉化為PI，從而避免了熱酰亞胺化中自由體積的減少；作者通過分子動力學模擬證明了這一點。除此之外，共價交聯結構通常能賦予PI氣凝膠更好的耐熱性和力學性能，可以抑制高溫熱退火中熱應力沖擊引起的結構損傷。彈性PI氣凝膠的收縮率會隨著熱酰亞胺化中不同化學結構和組成的不同而變化，而基于該方法的化學酰亞胺化對于大多數彈性PI氣凝膠來說應該是通用的，可以有效地抑制收縮。 圖4.PI氣凝膠的結構和形態。 【高彈性PI氣凝膠的力學性能】 作者通過模具設計和溫度調節使獲得的PI氣凝膠具有徑向分布的蜂窩結構，實現了-0.2的負泊松比。而材料的超低密度、徑向分布的蜂窩結構和增強的PI鏈交聯網絡賦予了PI氣凝膠各向異性的力學性能，例如沿通道方向的高剛度和垂直通道方向的超高柔韌性。具有6.1mgcm3低密度的氣凝膠能夠沿通道方向承受其自身重量的2000倍。此外，在垂直通道方向上，它們能夠在180彎曲多次和99%壓縮應變下恢復，表明出了驚人的柔韌性和超彈性。 此外，作者在從573K到4K逐漸凍結的環境中進一步評估了該氣凝膠的超彈性。PI氣凝膠的玻璃化轉變溫度和熱分解溫度隨著交聯度的增加而升高。該PI氣凝膠在4K的深低溫下也表現出驚人的超彈性，這是之前任何聚合物材料都從未實現的。即使在遭受4K和573K之間的熱沖擊后，PI氣凝膠仍保持高達99%應變的可壓縮性和完美的可恢復性，未觀察到明顯的結構損壞。這種出色的抗熱沖擊性能對于航空航天極端環境中的實際應用至關重要。 圖5.PI氣凝膠的力學性能。 圖6.PI氣凝膠在各種環境下的力學性能。 文章鏈接： https:www.nature.comarticless41467-021-24388-y 來源：高分子科學前沿 聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！ 關鍵字標籤：rubber o ring manufacturers Service UnavailableThe server is temporarily unable to service your request due to maintenance downtime or capacity problems. Please try again later. Additionally, a 503 Service Unavailable error was encountered while trying to use an ErrorDocument to handle the request. | |