具有高效吸附、超级隔热和应变传感性能的柔性多功能聚乙烯聚二甲基硅氧烷基气凝胶

huanggua

气凝胶材料由于具有高孔隙率、高比表面积、低密度、低热导率等优异的性能而受到广泛的关注。迄今为止，科研人员研发了氧化硅、金属氧化物、聚合物、碳、碳纳米管、石墨烯等各种各样的气凝胶材料。然而，由于其脆弱的网络结构，传统的气凝胶材料通常需要昂贵的超临界干燥才能获得，并且机械强度低，可加工性差，这严重阻碍了其实际应用。可弯曲、可机械加工的多功能气凝胶材料的制备依然是一个巨大的挑战。

近日，日本京都大学化学系祖国庆特定研究员和Kazuyoshi Kanamori助理教授（共同通讯）在Angew. Chem. Int. Ed. 上发表了一篇题为“Superflexible Multifunctional Polyvinylpolydimethylsiloxane-Based Aerogels as Efficient Absorbents, Thermal Superinsulators, and Strain Sensors”的研究论文。该论文采用一种简便的自由基聚合/水解聚合双交联方法（图1），结合低成本的常压干燥或冷冻干燥工艺，合成了基于聚乙烯聚二甲基硅氧烷（PVPDMS）、PVPDMS/聚乙烯聚甲基硅氧烷（PVPMS）、PVPDMS/PVPMS/石墨烯纳米复合物的有机-无机复合气凝胶材料。

图1. 自由基聚合/水解聚合双交联法制备PVPDMS基气凝胶。

该种气凝胶材料由相互交联的柔性聚二甲基硅氧烷和聚乙烯链构成，具有独特的双交联结构。其交联密度、孔径（20 nm−20 μm）、粒径（20 nm−3 μm）和密度（20−200 mg cm−3）高度可调，且具有优异的疏水性（接触角140−157°）以及机械加工性能（通过简单地切削或剪切加工即可获得不同形状的气凝胶）。此外，它在压缩和弯曲方面具有超级柔韧性，经受大的压缩和弯曲变形后仍能完全反弹并且保持网络结构完好无损。更为重要的是，该材料还具有多功能性：它结合了选择性吸附（1200−6500%的吸附容量）、高效油水分离、超级保温隔热（热导率低至16.2−17.6 mW m−1K−1）和应变传感等优异的性能。并且，通过结构调控，该材料呈现出均匀的纳米网络结构，因而具有较好的可见光透明性，可用于窗体的采光隔热。

由于其具有优异的疏水性、力学性能和机械加工性能，并且制备工艺简便，该气凝胶材料在吸附、油水分离、超级保温隔热、应变传感等领域具有良好的实际应用前景。该研究成果也为柔性多功能纳米多孔材料的合成提供了新思路和新途径。该研究论文被《德国应用化学》指定为VIP论文（Very Important Paper）。

近年来，该研究团队专注于有机-无机复合气凝胶材料的化学合成、常压干燥制备和吸附、超级保温隔热等性能研究，并取得了一系列重要科研成果。包括常压干燥低成本制备透明、柔性聚乙烯聚甲基硅氧烷（PVPMS）气凝胶超级隔热材料（ACS Nano 2018, 12, 521-532）,一种通用的双交联法合成透明、超级可压缩、可弯曲、可机械加工的气凝胶超级隔热材料（Chem. Mater 2018, 30, 2759-2770）等。

论文链接：

1. Guoqing Zu*, Kazuyoshi Kanamori*, Ayaka Maeno, Hironori Kaji, Kazuki Nakanishi. Superflexible multifunctional polyvinylpolydimethylsiloxane-based aerogels as efficient absorbents, thermal superinsulators, and strain sensors. Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201804559.

2. Guoqing Zu*, Taiyo Shimizu, Kazuyoshi Kanamori*, Yang Zhu, Ayaka Maeno, Hironori Kaji, Jun Shen, Kazuki Nakanishi. Transparent, superflexible doubly cross-linked polyvinylpolymethylsiloxane aerogel superinsulators via ambient pressure drying. ACS Nano 2018, 12, 521-532.

3. Guoqing Zu*, Kazuyoshi Kanamori*, Taiyo Shimizu, Yang Zhu, Ayaka Maeno, Hironori Kaji, Kazuki Nakanishi, Jun Shen. Versatile double-cross-linking approach to transparent, machinable, supercompressible, highly bendable aerogel thermal superinsulators. Chem. Mater. 2018, 30, 2759-2770.