Matériaux Solides: Aérogel De Cellulose Hyperélastique

Les aérogels, appelés Matériaux solides les plus légers, ont de nombreuses applications dans les domaines de l'isolation thermique, de la capture des particules et des capteurs de précision.Combiné aux avantages d'une porosité élevée et d'une protection de l'environnement, l'aérogel cellulosique est un substitut idéal à l'aérogel traditionnel non régénérateur.La fibre de cellulose en vrac qui a construit la structure a un rapport d'aspect élevé, ce qui permet à l'aérogel à base de cellulose d'obtenir une grande déformation.Par conséquent, l'aérogel cellulosique est un substitut à l'aérogel fragile comme l'aérogel silice et la résine phénolique.En raison de la présence d'un grand nombre de groupes hydroxyles dans le cycle du glucose déshydraté de la cellulose, une liaison hydrogène dynamique abondante s'est formée, ce qui a entra?né une diminution de la stabilité et de la viscosité de la structure.étant donné que les nanofibres sont difficiles à séparer après un contact étroit, les aérogels de cellulose subissent généralement un effondrement Structural mortel après une déformation importante.Cette faible élasticité et cette instabilité structurale limitent l'application pratique des aérogels de cellulose dans des domaines tels que l'isolation thermique et la filtration de l'air.

à l'heure actuelle, les chercheurs ont mis au point des méthodes pour construire des aérogels d'élastocellulose.Par exemple, il existe une méthode descendante qui élimine la lignine et l'hémicellulose du bois naturel par traitement chimique.Les compositions polymères à base de Silane ou de pétrole peuvent également améliorer l'élasticité en protégeant les liaisons hydrogène.Toutefois, les produits chimiques introduits ont des effets potentiels sur l'environnement et la santé humaine et réduisent les avantages de la cellulose en tant que produit de biomasse naturel et s?r, en particulier lorsqu'elle est utilisée dans des domaines liés à la santé tels que les masques et la purification de l'air.En ce qui concerne la structure, la conception d'une structure hiérarchique multicouche à plusieurs échelles est un moyen efficace d'améliorer les propriétés mécaniques des matériaux poreux.De plus, comme il ne s'agit pas de produits pétrochimiques, ce principe de conception permet de maintenir la biodégradabilité de la cellulose.Par exemple, une stratégie de double gabarit de glace récemment rapportée peut être utilisée pour fabriquer des aérogels d'élastocellulose.Toutefois, la stratégie exige un total de six étapes de fonctionnement, ce qui comprend deux cycles de congélation et de lyophilisation, ainsi que la redistribution intermédiaire et la modification hydrophobe finale.Le développement d'une méthode plus durable et plus simple pour produire des aérogels d'élastocellulose totalement exempts de produits pétrochimiques reste donc un défi.

Pour cette raison, l'équipe de l'académicien Yu shuhong de l'Université chinoise des sciences et de la technologie a préparé des aérogels multicouches de cellulose anisotrope hyperélastique (ACA) par une stratégie non pétrochimique basée sur un modèle de glace.Les particules de biopolymère polyhydroxyalkylate (Pha) sont introduites dans le réseau cellulosique afin d'éviter une densification excessive de la paroi cellulaire.Après la gravure à chaud, Pha devient un grand trou qui non seulement réduit la rigidité et la viscosité de la paroi, mais sert également de zone de défaut pour guider la micro - déformation et disperser la contrainte interne pendant la macro - déformation.De plus, la déshydratation induite thermiquement de la cellulose entra?ne également une liaison hydrogène.Toutes ces mesures contribuent à réduire la rigidité de la paroi et l'adhérence entre les nanofibres, ce qui rend l'aérogel super élastique.En raison du grand rapport d'aspect des composants, la flexion ou le flambage élastique de la paroi cellulaire améliore la récupérabilité de la structure.Les structures poreuses anisotropes et multicouches ont une meilleure capacité de déformation de l'ACA à grande déformation en réduisant la déformation locale.L'aérogel possède une excellente stabilité, y compris une élasticité qui ne varie pas en fonction de la température, une résistance à la fatigue (déformation plastique d'environ 5% après 100 000 cycles), un taux de récupération angulaire élevé (1475,4 °s - 1) et est supérieur à la plupart des aérogels à base de cellulose.Cette stratégie bénigne, tout en préservant la biosécurité, peut être utilisée pour fabriquer des matériaux poreux multicouches et classés qui possèdent de bonnes propriétés mécaniques, une isolation thermique, une filtration des particules et d'autres propriétés.L'étude a été publiée dans le dernier numéro d'Angewandte Chemie International Edition sous le titre ? a Petroleum Free Route to superlastic hierarcical Cellulose Aerogel ?.

Préparation et structure de l'ACA

Afin de construire une structure hiérarchique multicouche, les auteurs ont mis au point une stratégie synergique combinant la coulée par congélation unidirectionnelle et la gravure à chaud (figure 1a).D'abord, les auteurs ont préparé une suspension homogène et stable contenant des nanofibres de cellulose (CNF) à grand rapport d'aspect et des particules Pha par broyage à billes, puis par congélation unidirectionnelle sur une plate - forme en cuivre froid.Le CNF et le Pha sont compactés étroitement par des cristaux de glace en croissance et forment un prépolymère d'aérogel (P - ACA) après lyophilisation.Grace à un rapport d'aspect élevé, le CNF bactérien peut être facilement assemblé en un réseau flexible et enchevêtré qui améliore l'intégrité mécanique.Cependant, une forte liaison hydrogène entre les CNF conduit généralement à une paroi cellulaire très dense, ce qui empêche une répartition uniforme des contraintes pendant la déformation.Comme le montrent les images au microscope électronique à balayage (SEM), les particules de PVVIH peu solubles dans l'eau agissent comme des espacements qui peuvent être enveloppés dans le CNF pour empêcher une densification excessive des parois cellulaires (figure 4c, d).Cette structure poreuse adoucit les murs et améliore la flexibilité de la structure.

Figure 1. Préparation, caractérisation et propriétés de l'ACAA.

Propriétés mécaniques de l'ACAA

L'influence de la structure poreuse sur les propriétés mécaniques a également été démontrée par le choix de trois types d'aérogels ayant la même densité.Comme échantillons témoins, le DCA et l'ACA présentent une élasticité plus faible que l'ahca (Figure 2A - f).En raison du flambage plastique global de la paroi, le DCA a subi un effondrement Structural important, comme le montrent les fortes d éformations permanentes et la réduction des contraintes de compression (Figure 2A, D - f).Du point de vue Structural, l'ACA avec microcanaux directionnels présente des propriétés élastiques améliorées, en particulier en termes de réduction des contraintes et de déformation plastique.(figures 2B, D et e).Dans le cas de l'ACAA, l'élasticité du matériau s'est globalement améliorée et est supérieure à la structure cellulaire désordonnée et anisotrope (figure 2c).Dans le même essai de compression cyclique, la résistance de l'ACA a diminué d'environ 5% (fig. 2D, e) et l'hystérèse entre les courbes de chargement et de déchargement était inférieure à celle de l'ACA et du DCA, ce qui indique une augmentation de la capacité de stockage d'énergie des structures hiérarchiques multicouches (Fig. 2c, f).Par conséquent, les aérogels stratifiés hautement multicouches ont subi une réduction significative de la contrainte maximale, de la déformation plastique et du coefficient de perte d'énergie (figure 2D - f).

Figure 2. Caractérisation des propriétés mécaniques.

Ensuite, les auteurs ont étudié les causes de l'excellent comportement élastique compressif de l'ACA à l'échelle microscopique.Comme le montre l'image Sem, à 50% de compression, la structure cellulaire de l'ACA s'est fortement déformée et la paroi cellulaire s'est enroulée dans une Microstructure plus compacte par une grande déformation intraplane (Figure 3A).Une fois la compression relachée, l'aérogel se rétablit complètement sans rupture, affaissement ou adhérence, montrant une Microstructure stable et robuste.Les auteurs ont également étudié le comportement mécanique d'une seule paroi à l'aide d'un nanomanipulateur qui se déplace du bas vers le haut pour tenter d'incliner la paroi (figure 3b).En général, les parois en Cellulose dense sont plus rigides, ce qui peut facilement entra?ner une concentration locale des contraintes et des dommages structuraux en cas de surcharge.Les parois poreuses sont plus souples et plus flexibles et tendent à se déformer localement (figure 3c).Cela permet d'éviter la rupture ou l'effondrement de la structure en raison de la concentration des contraintes, ce qui conduit à une structure plus stable.Grace à la structure stable et à la flexibilité de la paroi, l'ACAA peut se plier dans la direction du passage directionnel.La structure anisotrope peut s'adapter à la compression et à la déformation par traction d'une manière similaire à celle de l'accordéon (figure 3D).Les images SEM in situ montrent que la compression et la flexion de la paroi cellulaire se produisent du c?té de la contraction interne.En ce qui concerne l'étirement, l'interconnexion des parois dendritiques facilite la récupération (figure 3e).

Figure 3. Déformation macroscopique et microstructurale de l'aca.

Performance de filtration de l'air de l'ACAA

La superélasticité structurale, les canaux parallèles et les nanofibres électrostatiques font de l'ACAA un matériau de filtration d'air biodégradable capable de supporter des débits élevés sans effondrement Structural.Les auteurs ont étudié les propriétés de capture des particules (PM) de l'ACAA de 5 et 10 mm d'épaisseur et les ont comparées aux masques à charbon actif disponibles dans le commerce.à un débit d'air de 1 L Min - 1, l'ACAA, d'une épaisseur de 10 mm, a montré une efficacité d'élimination équivalente des p2,5 (95,3 ± 2,4%) et des masques (97,1 ± 0,3%), ce qui correspond au critère d'efficacité de 95% (figure 4a).Même après 30 cycles d'essai, l'ACAA a pu maintenir une efficacité d'élimination des particules plus élevée (taux d'élimination > 90% pour les pm0,3 et les pm2,5) et une chute de pression plus faible (~ 70 pa), ce qui indique une bonne réutilisabilité et une stabilité structurale (figure 4c).De plus, des expériences réelles de rétention de fumée ont démontré la capacité de filtration efficace de l'ACAA (figure 4D).Les particules peuvent être absorbées sur la paroi cellulaire lorsqu'elles traversent le canal en raison de l'interaction électrostatique des groupes riches en oxygène (figure 4e).Les images SEM montrent que le filtre ACAA devient légèrement jaune et que des particules de particules dispersées se déposent à la surface des cellules poreuses (figure 4f).Dans un avenir durable, les filtres à Cellulose biocompatibles seront une alternative plus s?re aux matériaux filtrants à base de pétrole.Les aérogels respectueux de l'environnement et inoffensifs pour l'homme ont de vastes perspectives d'application dans des domaines liés à la santé.

Figure 4. Performance de filtration de l'air de l'ACAA.

Résumé

Les travaux ont mis au point une stratégie non pétrochimique pour la fabrication d'aérogels multicouches anisotropes de cellulose graduée en combinant la technologie de coulée par congélation et la gravure à chaud de particules de biopolymères.Les canaux directionnels dans le matériau consolident toute l'architecture.Les parois poreuses de cellulose déshydratée produites par la gravure à chaud non seulement réduisent la rigidité et la viscosité, mais guident également la déformation microscopique, atténuent les grandes déformations locales et empêchent l'effondrement de la structure.Les aérogels de cellulose présentent une hyperélasticité qui ne varie pas en fonction de la température (- 196 °C), une excellente résistance à la fatigue (seulement environ 5% de déformation permanente après 100 000 cycles de compression à 50% de déformation), une grande flexibilité de déformation (y compris le pliage et la torsion) et un taux de récupération angulaire élevé (1475,4 °s - 1) de la température ambiante à basse température.Cet aérogel présente un grand potentiel d'isolation thermique dans des environnements difficiles et peut être utilisé comme matériau de filtration d'air pour les masques et les équipements.Les matériaux utilisés dans cette voie de préparation sont de la biomasse durable, de sorte que la pollution de l'environnement causée par les technologies à forte intensité énergétique et les matériaux pétrochimiques devrait être résolue.La stratégie sera un outil puissant et respectueux de l'environnement pour la fabrication de matériaux poreux multicouches à plusieurs étages présentant de bonnes propriétés mécaniques, une isolation thermique, une filtration des particules et d'autres propriétés.