關(guān)注：可持續(xù)超彈性分級多孔纖維素氣凝膠新技術(shù)

2022/12/26 19:30:00 來源: 評論(0)3405

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纖維素氣凝膠受到分子間氫鍵誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可塑性的困擾，一種不使用石油化工的策略，通過在多尺度上設(shè)計分級結(jié)構(gòu)來制備超彈性纖維素氣凝膠。熱蝕刻制備的脫水纖維素多孔壁不僅剛度和粘性降低，還能引導(dǎo)微觀變形，緩解局部大應(yīng)變，防止結(jié)構(gòu)倒塌。該氣凝膠具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，包括寬溫度范圍的高彈性，抗疲勞性(105次循環(huán)后約5%的塑性變形)，高的角度恢復(fù)速度(1475.4°s-1)，優(yōu)于大多數(shù)纖維素基氣凝膠。這種良性策略保留了生物質(zhì)的生物安全性，并為與健康相關(guān)的應(yīng)用提供了替代過濾材料，如口罩和空氣凈化。

ACHAs的制備、表征和性能。a)冷凍鑄造和熱蝕刻相結(jié)合制備ACHAs的示意圖。

含CNFs和PHAs的均勻水分散體被定向冷凍鑄造，通過擠壓分散體建立定向通道。PHA顆粒的熱蝕刻形成了細(xì)胞壁上的次生孔。b, c)顯示ACHA各向異性和分層微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。插圖b)顯示一個超輕的ACHA樣品放在蒲公英上。d) FTIR光譜顯示特征峰在1720 cm-1時，ACHA中分配給C=O的值消失，表明PHA被有效去除。e)定制形狀的ACHAs的大規(guī)模制造。f)顯示ACHA在180°大角度下的可扭性和可恢復(fù)性的照片。

機械性能的表征。a-c)三種纖維素氣凝膠(DCA、ACA和ACHA)在50%應(yīng)變循環(huán)試驗下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

插圖顯示測試前后對應(yīng)樣本的高度保留情況。

d)三種纖維素氣凝膠在50%應(yīng)變下的10個壓縮循環(huán)的應(yīng)力降低、e)塑性變形和f)能量損失系數(shù)，表明ACHA具有最佳的彈性。

g) ACHA在50%應(yīng)變下105次循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，留下~5%的塑性變形。

h)與先前報道的纖維素基相比，ACHA氣凝膠的高度保留率。括號中的百分?jǐn)?shù)表示循環(huán)試驗后保留的應(yīng)力，第二個數(shù)字表示相關(guān)參考資料。i)顯示ACHA在液氮中大應(yīng)變高達(dá)80%時的穩(wěn)定性和彈性的照片。

ACHAs的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)變形觀察。

a)壓縮應(yīng)變50%及釋放之后ACHA的SEM觀察。

b) FIB-SEM納米操縱器與細(xì)胞壁相互作用示意圖。在納米操作器緩慢向上移動并接觸單個細(xì)胞壁的過程中獲得原位掃描電鏡圖像。

c)原位掃描電鏡圖像顯示ACHA多孔細(xì)胞壁的局部變形，驗證了多孔細(xì)胞壁的增強變形能力。

d)彎曲ACHA的掃描電鏡圖像，揭示了壓縮和拉伸側(cè)的變形機理。彎曲方向與取向通道平行。

e)可折疊和可回收的ACHA的照片。

f)高速攝像機實時圖像顯示ACHA可在61 ms內(nèi)從彎曲到90°角恢復(fù)。a)比例尺為500 μm, c)比例尺為10 μm, e, f)比例尺為1 cm。

ACHAs的空氣過濾性能。a、b)不同樣品(5mm厚ACHA、10mm厚ACHA和商用口罩)在a) 1 L min-1和b) 5 L min-1流速下的PMs去除效率。氣流方向與定向通道平行。c) 30次循環(huán)試驗(1 L min-1)表明10 mm厚的ACHA具有穩(wěn)定的PMs去除效率和壓降。d)自制PMMA吸煙實驗箱示意圖。pm由香燭產(chǎn)生，氣流方向用箭頭表示。e)去除機理說明和f)吸煙實驗后10mm厚ACHA的掃描電鏡顯示吸收的pmms。f)中插入的是測試后的樣品。插花的比例尺為1厘米。

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