Strong, Machinable, and Insulating Chitosan–Urea Aerogels: Toward Ambient Pressure Drying of Biopolymer Aerogel Monoliths

气凝胶 材料科学 生物高聚物 化学工程 壳聚糖 自愈水凝胶 环境压力 超临界干燥 傅里叶变换红外光谱 过硫酸铵 热稳定性 复合材料 高分子化学 聚合物 物理 工程类 热力学 聚合
作者
Natalia Guerrero‐Alburquerque,Shanyu Zhao,Nour Adilien,Matthias M. Koebel,Marco Lattuada,Wim J. Malfait
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (19): 22037-22049 被引量:128
标识
DOI:10.1021/acsami.0c03047
摘要

Biopolymer aerogels are an emerging class of materials with potential applications in drug delivery, thermal insulation, separation, and filtration. Chitosan is of particular interest as a sustainable, biocompatible, and abundant raw material. Here, we present urea-modified chitosan aerogels with a high surface area and excellent thermal and mechanical properties. The irreversible gelation of an acidic chitosan solution is triggered by the thermal decomposition of urea at 80 °C through an increase in pH and, more importantly, the formation of abundant ureido terminal groups. The hydrogels are dried using either supercritical CO 2 drying (SCD) or ambient pressure drying (APD) methods to elucidate the influence of the drying process on the final aerogel properties. The hydrogels are exchanged into ethanol prior to SCD, and into ethanol and then heptane prior to APD. The surface chemistry and microstructure are monitored by solid-state NMR and Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and nitrogen sorption. Surprisingly, large monolithic aerogel plates (70 × 70 mm 2 ) can be produced by APD, albeit at a somewhat higher density (0.17–0.42 g/cm 3 ). The as prepared aerogels have thermal conductivities of ∼24 and ∼31 mW/(m·K) and surface areas of 160–170 and 85–230 m 2 /g, for SCD and APD, respectively. For a primarily biopolymer-based material, these aerogels are exceptionally stable at elevated temperature (TGA) and char and self-extinguish after direct flame exposure. The urea-modified chitosan aerogels display superior mechanical properties compared to traditional silica aerogels, with no brittle rupture up to at least 80% strain, and depending on the chitosan concentration, relatively high E -moduli (1.0–11.6 MPa), and stress at 80% strain values (σ 80 of 3.5–17.9 MPa). Remarkably, the aerogel monoliths can be shaped and machined with standard tools, for example, drilling and sawing. This first demonstration to produce monolithic and machinable, mesoporous aerogels from bio-sourced, renewable, and nontoxic precursors, combined with the potential for reduced production cost by means of simple APD, opens up new opportunities for biopolymer aerogel applications and marks an important step toward commercialization of biopolymer aerogels.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
顺利秋灵完成签到,获得积分10
5秒前
刁刁完成签到 ,获得积分10
5秒前
典雅的纸飞机完成签到 ,获得积分10
6秒前
xiaoyuanbao1988完成签到,获得积分10
9秒前
prigogin的应助被Eric采纳,获得10
20秒前
21秒前
songrui643完成签到 ,获得积分10
22秒前
进击的牛马完成签到,获得积分10
23秒前
自然的听南完成签到 ,获得积分10
23秒前
柠檬完成签到 ,获得积分10
25秒前
荣荣完成签到,获得积分10
31秒前
吃饭打肯德基完成签到 ,获得积分10
31秒前
程晓研完成签到 ,获得积分10
31秒前
正直的晋鹏完成签到,获得积分10
32秒前
美满的雁桃完成签到 ,获得积分10
33秒前
weila完成签到 ,获得积分10
34秒前
Ray旭发布了新的文献求助20
36秒前
几梦春日序完成签到 ,获得积分10
37秒前
38秒前
先锋老刘001完成签到,获得积分10
39秒前
子聿发布了新的文献求助10
41秒前
小蘑菇的应助被杏子采纳,获得10
41秒前
蓝景轩辕完成签到 ,获得积分0
42秒前
Chen14完成签到 ,获得积分10
43秒前
44秒前
王欣完成签到 ,获得积分10
45秒前
幸福的映容完成签到 ,获得积分10
46秒前
一诺相许完成签到,获得积分10
47秒前
秦白完成签到,获得积分10
48秒前
xionggege完成签到,获得积分10
49秒前
50秒前
晴天yyyyy完成签到 ,获得积分10
51秒前
whx完成签到,获得积分10
52秒前
海边的曼彻斯特完成签到 ,获得积分10
54秒前
杏子发布了新的文献求助10
54秒前
奋斗诗云完成签到 ,获得积分10
55秒前
称心水香完成签到 ,获得积分10
58秒前
寻浣完成签到,获得积分20
58秒前
wwk完成签到 ,获得积分10
59秒前
花花子完成签到 ,获得积分10
1分钟前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Energie-Contracting 1500
Spec 401: Standards for Jet Fuel Facility and Equipment Commissioning and Flushing at Airports, 2026.1 (Original Issue) 1000
Spec 103: Standard for Jet Fuel Quality Control at Airports, Revision 2026.1 1000
Mathematical models in hydrology 1000
Klimaschutzrecht durch den Energiesektor im Mehrebenensystem – Ein Rechtsvergleich 1000
Oncology Clinical Trials: Successful Design, Conduct, and Analysis, Second Edition 800
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 计算机科学 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 物理 复合材料 内科学 催化作用 光电子学 人工智能 细胞生物学 无机化学 物理化学 数学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 8084219
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9498894
关于积分的说明 21409150
捐赠科研通 7652868
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3402477
关于科研通互助平台的介绍 2531702
邀请新用户注册赠送积分活动 2441144