中国将量产世界最轻固体 航天领域作用巨大
发布时间: 2013-10-17 22:04:41
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中国将量产世界最轻固体 航天领域作用巨大
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中国科学院化学研究所
简便制备技术和性能优化获突破
最近，从中国科学院化学研究所传来好消息：该所徐坚研究员和赵宁副研究员带领的团队在国家自然科学基金委、科技部的大力支持下，在气凝胶材料简便制备技术和性能优化方面取得了新进展。
他们通过分子设计，以巯基-双键点击反应制备了含有硫醚链段的桥联倍半硅氧烷前驱体，在分子尺度上引入有机组分，这种有机-无机杂化分子两端是三烷氧基硅基，经水解缩合后可表现出良好的刚性和尺寸稳定性，中间柔顺的硫醚链段则可赋予凝胶骨架弹性。
令人欣喜的是，这种桥联倍半硅氧烷凝胶可直接在室温下真空干燥得到气凝胶，极大地简化了气凝胶的制备过程，得到的气凝胶不但完整保留了湿凝胶的初始尺寸，而且质地均一、密度低、导热系数低、比表面积高，具备传统方法制备气凝胶的优良特性。
研究表明，在真空下凝胶中的溶剂挥发过程中，柔性的硫醚链段使得弹性凝胶骨架能够通过改变构象来承受毛细力的挤压，其较低的极性也有助于减弱凝胶与溶剂之间的相互作用;溶剂快速挥发也缩短了毛细力的作用时间，减轻了应力积累对凝胶孔结构的破坏作用;同时，溶剂的快速蒸发带走了大量热量，体系温度迅速下降，降低了硅羟基的反应活性，减少了不可逆形变的产生，这对于保持凝胶的结构非常有利。
与传统的二氧化硅气凝胶相比，这一类型的桥联倍半硅氧烷气凝胶还表现出优异的柔韧性和弹性，能在50%的形变下仍保持结构不被破坏，并可在30%的形变下反复压缩多次后迅速回弹而不产生永久变形。
如果将其再次浸泡在乙醇或水中，经真空干燥后，桥联倍半硅氧烷凝胶仍能够保持宏观和微观结构不发生变化，这为通过简单的湿化学或物理浸渍方法对该气凝胶骨架表面进行功能化改性提供了可能。
例如，他们将该气凝胶浸泡在聚乙烯亚胺(PEI)水溶液或乙醇溶液中，干燥后可在气凝胶骨架表面形成一层PEI涂层，得到具有很高二氧化碳吸附效率的吸附材料。相关技术已申请专利，研究结果已经发表在近期的《先进材料》杂志。
据悉，这是国际上首次以真空干燥技术制备气凝胶材料的报道。这种制备方法简便、材料性能优异、易于表面功能化的气凝胶材料有望实现规模化生产，为气凝胶在众多领域中的实际应用奠定了科学和技术基础。
(作者单位：中国科学院化学研究所)