Лиофилизированные отливки из поли(винилового спирта) с нано

Sep 30, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1020 (2023) Цитировать эту статью

1147 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Литье замораживанием заключается в замораживании жидкой суспензии (водной или другой) с последующей сублимацией затвердевшего состояния в газообразное при пониженном давлении и последующим спеканием оставшегося каркаса для консолидации и уплотнения стоек и стенок. Структура очень пористая, поры представляют собой копию кристаллов растворителя. Этот метод довольно универсален, и использование жидкого растворителя (чаще всего воды) в качестве порообразователя является сильным преимуществом. Литье замораживанием также было разработано как метод формирования почти чистой формы, позволяющий получить плотную керамику. В данной работе мы сообщаем о пористых композиционных материалах, синтезированных методом ледяных темплатов. Поли(виниловый спирт) (ПВС) используется в качестве матрицы, а нанокремнезем (SiO2), наноглина (НК) и микрофибриллированная целлюлоза (МФЦ) используются в качестве наполнителей для улучшения механической стабильности каркаса из ПВС. Мы показываем наши результаты по пористости и механической стабильности и рассматриваем эти пористые нанокомпозиты как потенциальные изоляционные материалы с низкой теплопроводностью и превосходными механическими свойствами.

Литье замораживанием, также известное как создание ледяных шаблонов, представляет собой метод придания избирательной пористости различным видам материалов1,2,3,4. Пористая керамика5,6,7,8,9, пористые металлы10,11,12, полимеры13,14,15 и органо-неорганические композиты16,17,18,19,20,21 изучаются за последние 20 лет.

Процесс создания шаблонов льда разделен на три основных этапа. Сначала частицы или полимеры диспергируют или растворяют в растворителе. Затем дисперсию/раствор предшественника подвергают воздействию температурного градиента, помещая форму на холодный палец, который погружают в замораживающий агент, обычно жидкий азот22. Во время этого процесса лед образует удлиненные кристаллы в направлении замерзания от холодного пальца до верхней части дисперсии/раствора из-за естественного переохлаждения на границе раздела лед-вода. Наконец, замороженный растворитель удаляют посредством сублимационной сушки. Важнейшим преимуществом материалов, синтезированных методом темплатирования льда, является улучшение механической стабильности по сравнению с материалами с изотропной пористостью, которая может быть увеличена до 400%14.

Пористые полимерные структуры, полученные методом замораживания, используются для различных целей. Структура с открытыми порами композита поли(винилового спирта) ПВС или желатина, созданного по шаблону льда,23 может использоваться для целевого высвобождения фармацевтических ингредиентов или в качестве материалов для регенерации кожи24. В одной из наших предыдущих работ мы показали, что замороженные отливки из сшитого ПВА являются потенциальными изоляционными материалами25. Они имеют низкую теплопроводность в ряду широко используемых изоляционных материалов, но демонстрируют значительно лучшую механическую стабильность по сравнению с другими пенообразными изоляционными материалами.

Для дальнейшего улучшения свойств пористых материалов в процессе синтеза можно добавлять различные неорганические или органические наполнители. Можно использовать наночастицы, такие как SiO26 или технический углерод26, нановолокна целлюлозы27,28 или силикатные минералы29,30. Введение SiO231 приводит к улучшению механической стабильности каркасов из ПВС. Сан и др.31 синтезировали нанокомпозиты аэрогель ПВС/кремнезем путем выращивания покрытия из диоксида кремния на каркасах из ПВС методом замораживания, и им удалось увеличить прочность на сжатие с 1,8 до 6,0 МПа. Введение нановолокон целлюлозы в каркасы из ПВС также приводит к улучшению механической стабильности27. Хостлер и др.18 сообщили о композитном материале, изготовленном из ПВС и наноглины методом замораживания. Материал имеет очень низкую теплопроводность — 0,030 Вт·м-1·К-1 перпендикулярно направлению замерзания.

В данной работе мы сообщаем о пористых композиционных материалах, синтезированных методом ледяных темплатов. Для этой цели в качестве матрицы используется ПВС, а в качестве наполнителей для улучшения механической стабильности каркаса из ПВС используются нанокремнезем (SiO2), наноглина (НК) и микрофибриллированная целлюлоза (МФЦ). Мы оцениваем эти пористые нанокомпозиты как потенциальные изоляционные материалы с низкой теплопроводностью и превосходными механическими свойствами.