고체 재료: 초탄성 섬유소 가스 겔

가스겔은 가장 가벼운 고체재료로 불리며 단열, 미립자물질포획과 정밀센서분야에서 많은 응용을 갖고있다.고공극률과 록색환경보호의 장점을 결합하여 섬유소가스겔은 전통적인 재생불능가스겔의 리상적인 대체품이다.그 구조를 구축한 블록 셀룰로오스 섬유는 높은 길이비를 가지고 있어 셀룰로오스 가스 겔이 큰 변형을 이룰 수 있다.따라서 섬유소 에어로겔은 이산화규소와 포름알데히드 수지 에어로겔 등 아삭한 에어로겔의 대체품이다.섬유소의 탈수 포도당 고리에 다량의 히드록시가 존재하기 때문에 풍부한 동적 수소 결합이 형성되어 구조의 안정성과 점성이 떨어진다.나노섬유는 밀접하게 접촉한 후 분리하기 어렵기 때문에 섬유소 가스 겔은 큰 변형을 당한 후 일반적으로 치명적인 구조 붕괴가 발생한다.이런 저탄성과 구조적 불안정성은 단열과 공기 여과 등 분야에서 섬유소 에어로겔의 실제 응용을 제한한다.

현재 연구자들은 탄성 섬유소 가스 겔을 구축하는 방법을 개발했다.예를 들어, 천연 목재에서 멜라닌과 반 섬유소를 화학 처리를 통해 제거하는 하향식 방법이 있습니다.실리콘 변성이나 석유 기반 폴리머 조성물도 수소 결합을 차단해 탄성을 개선할 수 있다.그러나 도입된 화학 물질은 환경과 인간의 건강에 잠재적 인 영향을 미치며 특히 마스크와 공기 정화와 같은 건강과 관련된 분야에서 사용되는 섬유소의 전체 천연 및 안전 바이오매스 제품으로서의 이점을 약화시킵니다.구조면에서 여러 척도에서 다층분급구조를 설계하는것은 다공재료의 력학성능을 제고하는 효과적인 경로이다.또한 석유화학 제품은 다루지 않기 때문에 이 설계 원칙은 섬유소의 생분해성을 유지할 수 있다.예를 들어, 최근 보도된 이중 얼음 템플릿 전략은 탄성 섬유소 가스 젤을 만드는 데 사용될 수 있습니다.그러나 이 전략은 총 6단계의 조작이 필요하며, 이는 두 차례의 냉동과 냉동 건조 및 중간의 재분산과 최종 소수 변성과 관련된다.따라서 석유화학 제품이 전혀 함유되지 않은 탄성 섬유소 가스 겔을 생산하기 위해 더 지속 가능하고 간단한 방법을 개발하는 것은 여전히 도전이다.

이에 비추어 중국과학기술대학 유서굉 원사팀은 얼음템플릿에 기초한 무석유화학책략을 통해 초탄성 각방향 이성섬유소 다층분급가스겔 (Anisotropic cellulose hierarchical aerogels, ACHA) 을 제조했다.바이오폴리머 폴리옥시부탄산에스테르(PHA) 입자는 세포벽의 과도한 치밀화를 피하기 위해 섬유소 네트워크에 도입된다.열식각 후 PHA는 큰 구멍으로 변하여 벽의 강성과 점성을 낮출 뿐만 아니라 미시적 변형을 유도하고 거시적 변형 기간에 내응력을 분산시키기 위해 결함 부위 역할을 한다.또한 열로 유도되는 섬유소의 탈수도 수소결합 작용을 일으킬 수 있다.이러한 조치는 벽의 강성과 나노섬유 사이의 접착력을 낮추어 에어로겔이 초탄성을 가지도록 하는 데 도움이 된다.성분의 대종횡비 덕분에 세포벽의 굴곡이나 탄성 굴곡이 구조의 회복성을 강화했다.각 방향 이성과 다층 계층 다공 구조는 국부 응변을 경감시켜 ACHA가 큰 응변에서 비교적 좋은 변형 능력을 가지도록 한다.이 에어로겔은 온도 변화에 따르지 않는 탄성, 피로 저항성 (100000회 순환 후 약 5% 의 가소성 변형), 고각 회복 속도 (1475.4 ° s-1) 를 포함한 우수한 안정성을 가지고 있으며, 대부분의 섬유소 기반 에어로겔보다 우수하다.이 양질의 전략은 생물학적 안전성을 유지하면서 기계적 성능, 단열, 입자 여과 및 기타 성능이 우수한 다층 계층 다공성 소재를 만드는 데 사용될 수 있습니다.이 연구는'A Petrochemical-Free Route to Superelastic Hierarchical Cellulose Aerogel'이라는 논문으로'Angewandte Chemie International Edition'최신호에 실렸다.

ACHA 제조 및 구조

저자는 다층 계층 구조를 구축하기 위해 단방향 냉동 주조와 열 식각 처리를 결합한 협동 전략을 개발했다 (그림 1a).우선 저자는 볼 연마를 통해 대종횡비를 함유한 섬유소 나노섬유(CNF)와 PHA 미립자의 균일한 안정 부유액을 제조한 뒤 냉동동 플랫폼에서 단방향으로 냉동한다.CNF와 PHA는 성장한 얼음 결정에 단단히 눌려 냉동 건조 후 에어로졸 프리폴리머(p-ACHA)를 형성한다.큰 장경비 덕분에 세균 모양의 CNF는 기계적 무결성을 개선하는 유연하고 얽힌 네트워크로 쉽게 조립할 수 있다.그러나 CNF 사이의 강한 수소 결합은 일반적으로 변형 과정에서 응력의 균일한 분포를 방해하는 세포벽의 고도의 치밀도를 초래합니다.전자현미경 (SEM) 이미지를 스캔하는 것과 같이 수용성이 떨어지는 PHA 입자는 세포벽의 과도한 치밀화를 방지하기 위해 CNF에 싸일 수 있는 간격물 역할을 한다 (그림 4c, d).이런 다공 구조는 벽을 부드럽게 하고 구조의 유연성을 높일 수 있다.

그림 1. ACHA의 제조, 표징 및 그 성능.

ACHA의 역학적 성능

저자는 같은 밀도를 가진 세 가지 유형의 에어로겔을 선택해 다공성 구조가 역학적 성능에 미치는 영향을 더욱 입증했다.대조 시료로 DCA와 ACA는 AHCA보다 더 낮은 탄성을 보였다 (그림 2a-f).벽체의 전체적인 가소성 굴곡으로 인해 DCA는 현저한 영구 변형 및 압축 응력 저하와 같은 심각한 구조 붕괴를 경험했습니다 (그림 2a, d-f).구조적인 관점에서 볼 때, 방향성 마이크로 채널을 가진 ACA는 특히 응력 저하와 가소성 변형 측면에서 개선된 탄성 성능을 나타냅니다.(그림 2b, d 및 e).ACHA의 경우 재료의 탄성이 전반적으로 개선되었으며 무질서하고 각방향 이성의 세포 구조보다 우수합니다 (그림 2c).같은 순환 압축 시험에서 ACHA의 강도는 약 5% 감소했다 (그림 2d, e). 로드-오프로드 곡선 사이의 대기 루프도 DCA와 ACA보다 작았다. 이는 다중 계층 구조의 에너지 저장 능력이 향상되었음을 나타낸다 (그림 2c, f).따라서 고도의 다층분급가스겔은 최대응력, 가소성변형과 에너지손실계수 면에서 모두 뚜렷하게 낮아졌다 (그림2d-f).

그림2. 역학적 성능 표징.

이어 저자는 ACHA의 우수한 압축탄성 행동이 발생하는 원인을 미시적 척도에서 연구했다.SEM 이미지에서 볼 수 있듯이 50% 압축 시 ACHA의 세포 구조는 심각하게 변형되며 세포 벽은 큰 면 내부를 통해 더 긴밀한 미시적 구조로 변형됩니다 (그림 3a).일단 압축이 방출되면 에어로겔은 완전히 회복되여 파열되거나 함몰되거나 유착되지 않아 안정적이고 견고한 미시적구조를 보여준다.저자는 또한 나노 조종기를 사용하여 바닥에서 꼭대기로 이동하여 벽을 기울이려고 시도하는 개별 벽의 역학적 행동을 연구했습니다 (그림 3b).일반적인 치밀섬유소벽은 강성구조가 더욱 많아 과부하할 때 국부적인 응력집중과 구조파괴를 초래하기 쉽다.다공성 벽은 더 부드럽고 유연하며 부분적으로 변형되는 경향이 있습니다 (그림 3c).이는 응력 집중으로 인한 구조물 파열이나 붕괴를 막아 더 안정적인 구조를 만들 수 있다.벽의 안정적인 구조와 유연성 덕분에 ACHA는 방향 채널의 방향을 따라 구부릴 수 있습니다.각방향 이성 구조는 아코디언과 비슷한 방식으로 압축과 스트레칭 변형에 적응할 수 있다 (그림 3d).원래 SEM 이미지에 따르면 세포벽의 압축과 굴곡은 내부 수축 측면에서 발생합니다.스트레칭 측면에서 나뭇가지 모양의 벽의 상호 연결은 회복에 도움이됩니다 (그림 3e).

그림 3. ACHA의 거시적, 미시적 구조 변형.

ACHA의 공기 여과 성능

구조 초탄성, 평행 채널 및 정전기 나노 섬유는 ACHA를 구조 붕괴 없이 높은 유속을 견딜 수 있는 생분해성 공기 여과 재료로 만듭니다.저자는 두께 5mm와 10mm인 ACHA의 미세먼지(PM) 포획 성능을 연구하고 상업용 활성탄 마스크와 비교했다.1L min -1의 공기 흐름에서 10mm 두께의 ACHA는 상당한 PM2.5(95.3±2.4%) 및 마스크(97.1±0.3%)의 제거 효율을 보여 95% 제거율의 고효율 기준을 충족시켰다(그림 4a).ACHA는 30차례의 테스트를 거쳤음에도 높은 PM 제거 효율 (PM0.3 및 PM2.5 제거율 > 90%) 과 낮은 압력 감소 (~70Pa) 를 유지하여 좋은 재사용성과 구조적 안정성을 나타낸다 (그림 4c).또한 실제 연기 유지 실험은 ACHA의 효과적인 필터링 능력을 입증했습니다 (그림 4d).통로를 통과할 때 산소기단의 정전기 상호작용으로 PM은 세포벽에서 흡수될 수 있다 (그림 4e).SEM 이미지에 따르면 ACHA 필터는 약간 노란색으로 변하고 분산 된 PM 입자는 다공성 세포 표면에 퇴적됩니다 (그림 4f).지속 가능한 미래에 바이오 호환성 섬유소 필터는 석유 기반 여과 재료의 더 안전한 대안이 될 것입니다.이런 환경보호, 인체에 무해한 에어로겔은 건강과 관련된 분야에서 광활한 응용전망을 갖고있다.

그림 4. ACHA의 공기 여과 성능.

소결

이 작업은 냉동 주조 기술과 바이오 폴리머 입자의 열 식각을 결합하여 각 방향 이성 다층 등급 섬유소 가스 겔을 만드는 무석화 전략을 개발했다.재료의 방향성 채널은 전체 아키텍처를 공고히 합니다.열식각으로 발생하는 탈수 섬유소 다공벽은 강성과 점성을 낮출 뿐만 아니라 미시적 변형을 유도해 국부적인 대응변을 줄이고 구조의 붕괴를 방지한다.셀룰로오스 에어로겔은 실온에서 저온까지 온도 변화(-196℃)에 따르지 않는 초탄성, 우수한 피로 저항성(50% 응변에서 100000회 압축 순환 후 약 5% 의 영구 변형), 큰 응변 유연성(접힘과 비틀림 포함), 높은 각도 회복 속도(1475.4°s -1)를 보여준다.이 에어로겔은 열악한 환경에서 단열 잠재력이 크며 마스크와 장비의 공기 여과 재료로 사용할 수 있다.이 제조 노선에 사용되는 소재는 모두 지속가능한 바이오매스이기 때문에 에너지 집약형 기술과 석유화학 소재로 인한 환경오염 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.이 전략은 기계 성능, 단열, 입자 여과 및 기타 성능이 우수한 다층 계층 다공성 소재를 제조하는 데 사용할 수있는 강력하고 친환경적인 도구가 될 것입니다.