Multiscale Assembly of Superinsulating Silica Aerogels Within Silylated Nanocellulosic Scaffolds: Improved Mechanical Properties Promoted by Nanoscale Chemical Compatibilization

材料科学 甲基三甲氧基硅烷 多孔性 介孔材料 复合材料 极限抗拉强度 脚手架 介孔二氧化硅 纳米材料 抗压强度 化学工程 纳米纤维素 气凝胶 纤维素 纳米技术 有机化学 工程类 涂层 医学 化学 生物医学工程 催化作用
作者
Shanyu Zhao,Zheng Zhang,Gilles Sèbe,Rudder T. Wu,Raymond V. Rivera Virtudazo,Philippe Tingaut,Matthias M. Koebel
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:25 (15): 2326-2334 被引量:285
标识
DOI:10.1002/adfm.201404368
摘要

Silica aerogels are amongst the lightest mesoporous solids known and well recognized for their superinsulating properties, but the weak mechanical properties of the inorganic network structure has often narrowed their field of application. Here, the inherent brittleness of dried inorganic gels is tackled through the elaboration of a strong mesoporous silica aerogel interpenetrated with a silylated nanocellulosic scaffold. To this avail, a functionalized scaffold is synthesized by freeze‐drying an aqueous suspension of nanofibrillated cellulose (NFC)—a bio‐based nanomaterial mechanically isolated from renewable resources—in the presence of methyltrimethoxysilane sol. The silylated NFC scaffold displays a high porosity (>98%), high flexibility, and reduced thermal conductivity ( λ ) compared with classical cellulosic structures. The polysiloxane layer decorating the nanocellulosic scaffold is exploited to promote the attachment of the mesoporous silica matrix onto the nanofibrillated cellulose scaffold (NFCS), leading to a reinforced silica hybrid aerogel with improved thermomechanical properties. The highly porous (>93%) silica‐NFC hybrids displays meso‐ and macroporosity with pore diameters controllable by the NFCS mass fraction, reduced linear shrinkage, improved compressive properties (55% and 126% increase in Young's modulus and tensile strength, respectively), while maintaining superinsulating properties ( λ ≤ 20 mW (m K) –1 ). This study details a new direction for the synthesis of multiscale hybrid silica aerogel structures with tailored properties through the use of alkyltrialkoxysilane prefunctionalized nanocellulosic scaffolds.
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