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燕山大学牟从普&温福昇:多功能超疏水芳纶纳米纤维/多壁碳纳米管/Fe3O4气凝胶及其微波吸收、隔热和污染物吸附性能

学术动态    2022-07-05 16:41

DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165792

 

由于电磁辐射和污染、全球变暖和环境污染的加剧,轻质多功能气凝胶在微波吸收、隔热和污染物回收方面受到了越来越多的关注,是满足当今社会技术需求的理想材料。本研究采用真空辅助过滤、冷冻干燥和气相沉积相结合的方法制备了由芳纶纳米纤维、多壁碳纳米管和甲基三甲氧基硅烷改性Fe3O4纳米颗粒组成的气凝胶复合材料(M-AMF),其具有超疏水性、低密度和高力学性能。作为微波吸收剂,M-AMF32气凝胶复合材料在5.46GHz的微波频率下,最小反射损耗可达-45.83dB,最大有效吸收带宽为4.0GHz。此外,将作为保温材料的M-AMF气凝胶复合材料置于100℃的加热板上后,其表面温度仅为50℃。M-AMF32气凝胶对油的吸附能力在100次循环后仍能保持在30g/g左右。而且,M-AMF气凝胶具有优异的隔热性能和对非极性液体的选择性吸收能力,可应用于恶劣环境和污染物处理。

 

图1.M-AMF(M-ANF/MWCNTs/Fe3O4)复合气凝胶的制备过程示意图。

 

图2.(a)ANF和(b)MWCNTs的TEM图像。(c)和(d)M-AMF32复合气凝胶不同放大倍数的SEM图像,(d)中的插图为高倍SEM图像。(e)M-AMF32气凝胶的SEM图像以及N、C和Fe的相应元素映射图像。(f)ANF、MWCNTs、Fe3O4纳米颗粒和M-AMF32复合气凝胶的XRD图谱。(g)所有M-AMF复合气凝胶在50%应变下的压缩应变-应力曲线。(h)M-AMF气凝胶在压缩试验期间于50%压缩应变下的光学图像(压缩和恢复状态)。

 

图3.M-AMF复合气凝胶的微波吸收性能。M-AMF复合气凝胶的介电常数实部(a)和虚部(b)以及介电损耗角正切(c)与微波频率的函数关系。M-AMF复合气凝胶在1.0-18.0GHz微波频率范围内的磁导率实部(d)和虚部(e)以及磁损耗角正切(f)。(g)不同厚度M-AMF32的RL曲线以及根据λ/4模型计算的相应厚度与微波频率的函数关系。(h)M-AMF32气凝胶反射损耗的3D颜色映射与微波频率和微波吸收器厚度的函数关系。

 

图4.M-AMF32复合气凝胶的隔热性能。(a)隔热性能实验测试装置示意图。通过使用IR相机从放置在100℃加热板上的气凝胶顶部(b)和侧面(c)收集的热红外图像。温度可以从热红外图像中获得。(d)SP1和SP2(对应于b中的点)、(e)SP3、SP4和SP5(对应于c中的点)在100℃加热板下的温度-时间曲线。(f)气凝胶传热机理示意图。(g-i)分别经酒精灯火焰燃烧0、15和30分钟的M-AMF32的光学图像。

 

图5.M-AMF32气凝胶的疏水性能和污染吸附性能。(a)M-AMF32气凝胶的水接触角随时间发生变化,插图为120、300和600秒时接触角的光学图像。(b)M-AMF32气凝胶上具有不同pH值和油的溶液的光学图像。由于其疏水性,M-AMF32气凝胶表面呈现碱性溶液(黄色,pH=14)、中性溶液(白色,pH=7)和酸性溶液(红色,pH=7)。但是由于其超疏油性,油会渗透到M-AMF32气凝胶的内部。光学图像显示M-AMF32气凝胶从水下或水面去除(c)氯仿、(d)甲苯和(e)泵油。(f)M-AMF32气凝胶对氯仿、甲苯和泵油的吸收能力与循环次数(机械挤压和吸收)的函数关系。