气-固-液三相超轻弹性体的构筑及其构效关系研究

Gels are a kind of colloidal materials with double continuous phases composed of nano-size holes and walls, and they are named as hydrogels (/aerogels) when the holes are filled with water (/air). Due to the abundance of solid-liquid interfaces (hydrogels) or solid-vapor interfaces (aerogels), gels have been widely used in various vital fields of national life. However, it’s a great challenge to achieve the coexistence of solid-liquid-vapor triple phases in the traditional gels. In this project, we propose a novel concept – “solid-liquid-vapor triphase elastomerl”, in which there are continuous solid, liquid, and vapor phases in a single monolith. In this elastomer, there are plenty of liquid-vapor, solid-liquid, solid-vapor interfaces, thus exclusively itself from the traditional hydrogel, aerogel, and polymeric elatomers. The synthetic approaches, physico-chemical properties, and the correlation between the volume percentage of the solid/vapor phases and its properties, etc. will be systematically investigated. The impacts of the critical parameters of the triphase elastomer, e.g., raw materials and synthetic conditions, on the physico-chemical properties of the triphase elastomer will also be studied. Finally, functionalization of the triphase elastomer with conductive polymers will be carried out, and the light absorption capacity and the light-heat conversion efficiency of the triphase elastomer after functionalization will be evaluated, and their potential application of the triphase elastomer in solar energy induced seawater desalination will be discussed.

凝胶是一类由纳米级的孔道和孔壁组成的连续双相胶体材料，当孔道中填充的介质为水（/空气）时被称之为水（/气）凝胶。这类凝胶材料由于具有丰富的固-液界面（水凝胶）或固-气界面（气凝胶），因而被应用于国计民生的诸多重要领域。但传统的凝胶材料中无法实现连续气-固-液三相物质的共存。在本项目中，申报人首次提出了“气-固-液三相弹性体的新概念：即具有连续气相、连续液相和连续固相的一类新型本体材料，在该材料体系中，能够实现丰富的气-液界面、固-液界面和气-固界面的共存，因而明显区别于传统的水凝胶和气凝胶。重点研究气-固-液三相弹性体的合成工艺、理化性能、以及固相/气相体积分数与理化性质之间的关联关系，考察原材料性能、合成条件等关键因素对获得的三相弹性体的理化性能的影响。最后采用导电高分子等对三相弹性体进行功能化改性，研究改性后三相弹性体的太阳光吸收和光热转换效率，探索其在太阳能海水淡化中的应用。

本项目面向《功能基元序构的高性能材料基础研究重大研究计划》方向四：针对其它一些现有材料或传统方法难以克服的“卡脖子”、“硬骨头”等难题，从“功能基元+序构”的基础科学问题出发，研究和探索解决上述难题的新概念、新思路和新方法。因此，本项目提出以“气凝胶”为功能基元，通过“连续分散、均匀分散、梯度结构、层状结构”等人工序构，制备系列三相弹性体结构，实现材料性能上的变革。具体工作包括两个维度：（1）气凝胶功能基元的合成，通过单体的设计、共单体和溶剂极性的调节、以及后处理策略，实现零维超疏水和超亲水氧化硅气凝胶的低成本、绿色常压干燥制备；一维氧化硅和凯夫拉气凝胶纤维的连续化制备；以及三维超弹气凝胶的构筑；（2）将合成的各种维度的气凝胶作为功能基元，通过人工序构，实现材料性能的突变：a) 以氧化硅气凝胶为零维功能基元，当气凝胶含量超过7.23 wt.%时，气凝胶形成连续相，实现气固液三相网络的构筑，凝胶的疏水性、密度等都出现逆向变化，如水凝胶转变成超疏水，原本密度大于水的变成小于0.5 g/cm3；b) 以亲水氧化硅气凝胶为功能基元，实现PVA水凝胶的耐极端低温和粘性，使其在-50℃时依然具有优异的弹性和黏性；c) 以氧化硅气凝胶颗粒为功能基元，通过与热塑性聚氨酯弹性体复合，实现其光学性质的变化，在宏观性能上，使原本具有保温功能的材料，转变为具有10℃无源被动降温能力的多相弹性薄膜；d) 将气凝胶和相变材料构筑成层状结构，实现极端高低温的热防护，例如-30℃环境下，双层结构的保温续航能力是单独采用气凝胶的480%。以上结果表明，以气凝胶为功能基元，通过人工序构，对材料性能的颠覆、突破性能瓶颈具有重要意义，为本重大研究计划提供了数据详实、结构清晰的范例。相关研究成果发表在Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Sci., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊共11篇，申请发明专利9项，已授权发明专利3项，授权实用新型专利1项，相关材料制备的轻质保温装备在某战区获得应用验证。