【文献解读】北林蒲俊文教授团队Carbohydr. Polym.超分子作用力导向的纳米纤维素阻燃气凝胶传感器

背景介绍

随着科技水平的飞速发展及“绿色”智能社会的构建刺激了具有良好力学响应性的压阻传感器在健康监测、电子皮肤和虚拟现实等方面需求量的大幅度增加，与此同时对传感器的设计材料及应用性能提出了更高的要求。在此背景下，作为自然界中分布最广的绿色一维纳米材料，纳米纤维素可以进一步加工成不同维度的纳米纤维素材料，以满足不同的设计需求。其中，可再生的纳米纤维素气凝胶，因其高孔隙率、轻质等特点被认为是一种很有前途的压力传感器材料而受到广泛关注。然而，纳米纤维素固有的可燃性、电绝缘性及较弱的力学性能使其难以具有装配多功能传感器的应用价值，限制了其在压阻传感器上的应用潜力。

针对上述问题，北京林业大学蒲俊文教授团队采用定向冷冻冰模板法及吸附诱导-原位聚合相结合的策略，成功构筑具有各向异性、离焰自熄、隔热的CNF/AND/PPy（CAP）导电气凝胶。通过定向调控冰晶的生长方向以及纤维素纳米纤维/芳纶纳米纤维（CA）网络骨架生长时，纤维素纳米纤维（CNF）与芳纶纳米纤维（ANF）间的超分子作用、物理缠绕等“交联”驱动力，构建了定向、高度互穿结构的CA杂化水凝胶。其次，以CA气凝胶作为支撑载体，通过CNF的活性基团与吡咯单体的氢原子之间的非共价相互作用固定聚吡咯（PPy），使绝缘CA气凝胶获得良好的导电性能（图1）。

图文解读

俊文 

图1. CAP导电气凝胶的制备流程图

该研究发现，采用定向冷冻冰模板法形成的单向有序的微观结构决定了CAP气凝胶在力学性能及导热性能上存在各向异性。并且得益于CA气凝胶与PPy之间的氢键作用力，CAP导电气凝胶的力学性能得到进一步的提高。此外，在200℃下，CAP气凝胶仍然表现出优异的隔热性能（0.0688 ± 0.006 W/m∙K）（图2）。

值得一提的是，在燃烧实验中，由于ANF和PPy的协同阻燃作用，CAP气凝胶没有发生结构上的坍塌并且具有离焰自熄性。这种高温隔热和离焰自熄性保证了实际应用的安全性和可靠性。此外，基于良好的力学性能和导电性能，CAP气凝胶作为压阻传感器展现出灵敏度高，循环稳定性好，响应时间短等特性。作者认为具有高灵敏度的传感性能和自熄灭、隔热性能的CAP气凝胶，在极端条件下的传感方面具有广阔的应用前景。

图2. (a) CNF、CA-5和CAP-3气凝胶的TGA/DTG曲线; (b) CNF、CA-5和CAP-3气凝胶的导热系数; (c) CAP-3气凝胶与其它气凝胶的导热系数比较图; (d) 在200 ℃下，CAP气凝胶不同方向的导热示意图和红外热像仪照片。

该研究成果以“Thermal insulating, light-weight and conductive cellulose/aramid nanofibers composite aerogel for pressure sensing”为题发表在《Carbohydrate Polymers》上。论文第一作者为北京林业大学博士生王澌洁，蒲俊文教授为通讯作者，上述工作得到《石墨烯材料应用于木材改性及特种纸加工技术的研究》项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118414

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