超弹超轻电纺纳米纤维杂化气凝胶的制备及其性能研究
近年来，气凝胶相关研究取得了巨大发展。然而，传统气凝胶普遍缺乏机械稳定性为其大规模应用带来挑战。气凝胶缺乏柔韧性和机械稳定性的主要原因是在干燥过程中易形成“颈部”结构。最近研究表明，气凝胶中纤维网络的存在能最大限度减少骨架中不稳定的“颈部”结构，从而增强气凝胶的力学性能。静电纺丝制备的纳米纤维具有比表面积大、纤维直径和组成易于调节、对高分子和无机材料的加工普适性强的特点。同时，纤维表面可通过纺丝工艺控制进行改性，有利于其与常用气凝胶成型的材料复合构建一体化结构。 基于新型二维材料MXene良好的导电性及其片层结构与纤维复合可实现协同增效气凝胶力学强度的特点，本文以静电纺丝纳米纤维和MXene为构建元件，制备超弹、超轻纳米纤维复合气凝胶。一方面研究了其作为压敏式传感器的相关性能，另一方面，研究了其作为隔热保温材料的相关性能。主要研究内容如下: (1)超弹超轻电纺碳纳米纤维/MXene杂化气凝胶的制备及其传感和储能性能研究。采用定向冷冻法制备了具有各向异性微通道的超弹超轻碳纳米纤维(CNF)/MXene复合气凝胶。高纵横比的纳米纤维缠绕并组装成相互连接的支架，而MXene片增强纤维骨架的结构稳定性，并赋予气凝胶良好的导电性。得益于稳定的结构，CNF/MXene气凝胶(CNF/MX)具有4.87mgcm-3的超低密度，在应变50％下经受5000次循环和高应变95％下经受500次循环后皆表现出极佳的压缩回弹性。重要的是，优异的应变或压力响应使CNF/MX气凝胶传感器具有高灵敏度(65 kPa-1)、超低检测极限(＜5Pa)、毫秒级响应(26 ms)、宽的可行应变范围(0-95％)和卓越的响应稳定性。此外，具有优良电化学活性MXene的存在使得CNF/MX作为无粘结剂电极表现出优异的倍率性能(从1增大至100Ag-1时电容值可维持80％)和循环稳定性(5Ag-1下进行20000次充放电后，电容值可维持90％)。 (2)超弹超轻电纺SiO2纳米纤维/MXene杂化气凝胶的制备及其隔热和火灾预警性能研究。柔性SiO2纳米纤维与刚性MXene片通过定向冷冻法协同组装赋予气凝胶良好的力学和隔热性能。SiO2/MXene气凝胶在应变50％下经受1000次循环和高应变90％下经受100次循环皆表现出良好的压缩回弹性。在评估不同环境温度和不同方向的隔热性能后，25℃下SiO2/MXene的热导率为21mWm-1K-1，并且探究了该气凝胶可作为火灾警示器对火灾具有即时响应性能。
气凝胶;静电纺丝;纳米纤维;定向冷冻;压阻型传感器;隔热性能
北京化工大学
硕士
材料工程
杨冬芝;杨海恩
2021
中文
TQ427.26
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）