东华大学肖茹教授团队《ACS Nano》：表面润湿性可控的有机-无机复合纳米纤维气凝胶

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纤维基气凝胶材料因其独特性能及在过滤吸附、隔热阻燃和智能传感等领域的应用成为当前研究热点。目前，纳米纤维气凝胶的基元材料多为纤维素纳米纤维或静电纺纳米纤维。而热塑性高聚物材料因其物理和化学稳定性好、熔融加工相对简单等优点广泛应用于社会经济中的各行各业。因此，设计构筑基于热塑性高聚物纳米纤维气凝胶材料及实现其性能可调控对丰富气凝胶的构筑基元材料及其应用领域具有重要借鉴意义。

日前，东华大学肖茹教授团队利用熔融共混挤出相分离法将热塑性高聚物树脂纤维化、纳米化，通过冷冻干燥和化学原位交联构筑力学性能良好的乙烯乙烯醇共聚物（EVOH）纳米纤维气凝胶，并以其为模版，三甲基铝（TMA）和水为铝源、氧源，经原子层气相沉积（ALD）于气凝胶表面引入氧化铝（Al₂O₃）颗粒，制备表面润湿性可控的有机-无机复合纳米纤维气凝胶。

图1. 有机-无机复合纳米纤维气凝胶的制备示意图

通过改变ALD循环次数可调控气凝胶中纳米纤维的表面形貌，其表面粗糙度随着ALD循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势，与此同时复合纳米纤维气凝胶的表面呈现亲水-疏水-亲水的变化，其表面润湿性由纳米纤维的表面几何形貌和Al₂O₃沉积物含量共同控制。较少的ALD循环可以使气凝胶内部和外部均具备超疏水性。对于同一材料，通过该方法可制备具有两种不同表面特性的材料体系。

图2. 有机-无机复合纳米纤维气凝胶的表面润湿性：（a）有机-无机复合纳米纤维气凝胶的表面水接触角，气凝胶（b）水接触角值和（c）吸水率随时间的变化，（d）浸泡腐蚀性、盐、有机溶液后6cy-ALD气凝胶的水接触角值（e）6cy-ALD气凝胶表面染色的水滴和油滴，（f）染色水滴在6cy-ALD气凝胶的内部

气凝胶材料良好的压缩回弹性是延长其使用寿命的重要保障。Al₂O₃颗粒的沉积有利于提升气凝胶的压缩强度，经100次ALD改性，复合气凝胶的压缩应力和杨氏模量分别由31.13和5.54 kPa提高至176.11和33.27 kPa。其中6cy-ALD气凝胶展现良好的回弹性和耐压性，经500次循环压缩，依旧能保持85%以上的压缩应力和74%以上的杨氏模量，塑性形变仅为19.05%。

图3. 气凝胶的力学性能：不同ALD循环次数气凝胶的（a）压缩应力-应变曲线（应变为80%），（b）最大应力和杨氏模量，（c）6cy-ALD气凝胶不同应变时的应力-应变曲线（应变为40%，60和80%）,（d）6cy-ALD气凝胶循环压缩应力-应变曲线（应变为60%），循环压缩对应的（e）最大应力和杨氏模量和（f）能量损耗和能量损耗系数

经多次ALD处理，可获得核壳结构的复合纳米纤维气凝胶。通过高温热解去除其中的核结构——EVOH纳米纤维，而气凝胶的多孔结构和热稳定性优异的Al₂O₃涂层得以保留，则获得了脆性自支撑Al₂O₃纳米管气凝胶，其内径与EVOH纳米纤维的直径基本相同。通过测量Al₂O₃涂层的厚度计算获得ALD的沉积速率为1.05 Å/cycle。该工作为热塑性高聚物纳米纤维衍生材料的设计和应用拓宽思路。

图4. （a）复合纳米纤维气凝胶的热重分析图，热解前后（b）50、（c）70和（d）100cy-ALD气凝胶样品照片，（e）无机中空纳米管的制备示意图，（f）100-cy中空纳米管气凝胶的场发射扫描电镜图，中空Al₂O₃纳米管的（g）扫描电镜和（h）透射电镜图片

以上成果以’Atomic Layer Deposition onto Thermoplastic Polymeric Nanofibrous Aerogel Templates for Tailored Surface Properties’为题发表于ACS Nano，论文的第一作者为东华大学材料学院博士生陆建伟，通讯作者为肖茹教授，共同通讯作者为佐治亚理工学院的Karl I. Jacob教授，其它作者还包括李羿、宋炜、Mark D. Losego教授和Rebhadevi Monikandan。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09497

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