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具有优异的结构完整性和性能稳定性的电纺纳米纤维气凝胶材料介绍
发布时间:2021-04-28     作者:yyp   分享到:

静电纺纳米纤维因其原料广泛、柔韧性好、成分可控等诸多优势,成为构筑高性能碳气凝胶的理想材料之一。然而,传统的静电纺丝技术大多基于单方向的沉积收集方法,其所制得的电纺纳米纤维材料往往只能堆积形成致密的二维平面结构而非三维体相结构。研究表明,通过对收集装置进行改进可在一定程度上改善电纺纳米纤维的三维成型性,但其效果仍不理想。因此,如何通过电纺纳米纤维之间的相互键合或交联作用高效地实现其三维重构,是获得具有优异的结构完整性和性能稳定性的电纺纳米纤维气凝胶材料的关键。

氧化石墨烯(GO)表面大量的含氧基团(如羟基和羧基等),有助于与其他种类的官能化表面之间形成交联作用。基于此,提出了一种简便可行的表面诱导协同组装方法(图1a),将预氧化的电纺聚丙烯腈(oPAN)纳米纤维进行高速碎化,并以GO为交联剂实现了oPAN的三维重构(原理见图1b),通过进一步碳化制备了石墨烯-电纺纳米纤维碳气凝胶(graphene-carbon nanofiber aerogel(GCA),图1c)。

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所制备的轻质GCA气凝胶材料具有良好的回弹性能(图2a-2c),这是由于完全展开的石墨烯片层有效地起到了交联单元的作用,将作为气凝胶骨架的碳纳米短纤互相连接形成了多个稳固的结构单元(图2d),极大地增强了该宏观块体的结构稳定性。对单根碳纳米纤维的形貌观察表明,碳纳米纤维被多层的石墨烯紧密包裹(图2e),并可形成不同形式的交联结构,包括支撑(pillaring,图2f)、桥连(bridging,图2g)和对接(jointing,图2h)等结构。研究者认为这种特殊的包裹结构来源于电纺纳米纤维与GO之间的氢键作用,同时也对GCA气凝胶的结构稳定性和回弹性起着至关重要的作用。


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yyp2021.4.28


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