杭州师大《AFM》：功能多样！一种前所未有的泡沫纳米复合材料

硅基多孔材料具有温度稳定性强、无毒、耐化学腐蚀、隔热性能优异等特点，因此在学术界和工业领域都引起了广泛关注。在过去的十年中，PDMS 泡沫材料已开发出许多新兴的多功能应用，例如可拉伸电极和压阻传感器、可拉伸电子、能量收集/存储、水/油分离和吸收剂、热/冲击防护、催化、以及药物输送、 石墨烯衍生物、碳纳米管 (CNT)、粘土和金属纳米填料等各种纳米材料已被广泛用于改性 PDMS 泡沫，从而赋予其多种功能，如高导电性、超疏水性和阻燃性。然而，传统的PDMS 泡沫复合材料在轻质、阻燃和导电性能之间存在相互矛盾，而且由于 PDMS 分子与功能填料之间的相容性较差以及填料含量较高，通常需要通过复杂的工艺制作而成。聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫是下一代聚合物泡沫材料之一，其表面附着力差，功能有限，极大地限制了其潜在应用。制造具有多种功能的先进 PDMS 泡沫材料仍然是一项严峻的挑战。

来自杭州师范大学的学者报道了一种前所未有的自粘性 PDMS 泡沫材料，这种材料具有蚯蚓状粗糙结构和活性基团，可通过简单的硅胶发泡和浸涂策略以及硅烷表面改性，制造出装饰有 MXene/纤维素纳米纤维（MXene/CNF）互连网络的多功能 PDMS 泡沫纳米复合材料。有趣的是，这种自粘性 PDMS 泡沫能与 MXene/CNF 纳米混合涂层产生强大的界面粘附力。因此，优化后的 PDMS 泡沫纳米复合材料具有优异的表面超疏水性（水接触角≈159^o）、可调的导电性（从 10^-8 到 10 S m^-1）、在宽温度范围（从 -20 到 200 ℃）和复杂环境（酸、钠和碱条件）下稳定的抗压循环可靠性、出色的阻燃性（LOI 值大于 27%，烟雾产生率低）、良好的隔热性能以及在各种应力模式和复杂环境条件下可靠的应变传感。它为合理设计和开发具有多功能性的先进 PDMS 泡沫纳米复合材料提供了一条新的途径，使其在智能医疗监控和防火隔热等方面具有广阔的应用前景。相关文章以“Self-Adhesive Polydimethylsiloxane Foam Materials Decorated with MXene/Cellulose Nanofiber Interconnected Network for Versatile Functionalities”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202304927

图 1. a) 不同形态和残留反应基团的传统和自粘性硅橡胶泡沫（SiRF）材料的设计构思和示意图。b) 两种用于粘合笔记本封面的 SiRF 材料的比较：i) 等摩尔比PDMS-H/PDMS-Vi（1:1）和 ii) 过量 PDMS-H（PDMS-H/PDMS-Vi=2.5-3.0:1.0 摩尔比）。c) 传统方法和 d) 新型方法制备的SiRF 材料的典型扫描电子显微镜图像，显示使用过量 PDMS-H 后形成的蚯蚓状纳米级粗糙表面；以及 e) 两种 SiRF 材料的傅立叶变换红外光谱结果对比，显示使用新型方法后残留的 Si─H 活性基团。

图 2.多功能 SiRF 纳米复合材料的制备和结构分析。多功能 SiRF 纳米复合材料的制备和结构分析。a) 自粘性 PDMS 泡沫的示意图，泡沫上装饰有相互连接的 MXene/CNF 网络，并通过简单的浸涂策略进行了 PFDTS 处理。c) MXene/CNF 纳米涂层的扫描电镜图像，显示混合纳米涂层与自粘骨架的良好界面。d) 表面形貌和元素分布的扫描电镜和扫描电镜-电子显微镜图谱。e)纯 SiRF、M@SiRF、MC@SiRF 和 F-MC@SiRF 复合材料的傅立叶变换红外光谱。f) F-MC 涂层 SiRF 纳米复合材料的 XPS-C1s 峰光谱、g) O1s 峰光谱和 h) Si 2p 峰光谱。

图 3. 不同放大倍数下各种改性 SiRF 样品的结构观察。数码照片和扫描电镜图像：a,b) M@SiRF，c,d) M_0.9C_0.1@SiRF，e,f) M_0.8C_0.2@SiRF，g,h) M_0.7C_0.3@SiRF，表明 MXene 网络中 1D CNF 的存在有效限制了单一 MXene 和其他混合纳米涂层改性的 SiRF 复合材料中裂纹和脱粘现象的形成。

图 4. a) F-MC@SiRF 表面超疏水性和 WCA 的数字图像；b) 纯 SiRF、不同 MXene/CNF 比率的 MC@SiRF 和 F-MC@SiRF 的 WCA 值；c) F-MC@SiRF 在挤入不同溶液（NaOH/NaCl/HCl）前和 7 天后从水中取出后的照片。d) MC@SiRF 样品的重量和 e) 导电率与浸涂周期数的关系图。f) SiRF、M@SiRF 和F-MC@SiRF 的热重曲线。g) ε = 25%、50% 和 75% 时的压缩应力-应变曲线，以及 h) F-MC@SiRF 的循环压缩应力-应变曲线（插图：70% 时的压缩过程照片）；i) 压缩应变率为 20%、100%、200% 和 400% min^-1 时的压缩应力-应变曲线；j) 拉伸应力-应变曲线；k) 在 -20 和 200 ℃温度下以及挤入水溶液（酸/钠/碱）100 个循环后的循环压缩试验；l) 纯 SiRF 和F-MC@SiRF 在 -20、0、30、150 和 200 ℃ 温度下的压缩应力-应变曲线。

图 5. 阻燃性和机理分析。a) 纯 SiRF、b) CNF@SiRF、c) M@SiRF、d) MC@SiRF 和 e) F-MC@SiRF 样品的典型 LOI 测试过程与时间的函数关系，表明经 MXene/CNFs 互联层装饰和 PFDTS 处理后，样品具有优异的阻燃性。f) LOI 测试过程中各种样品的自熄时间和 LOI 值。g) 纯 SiRF 和F-MC@SiRF 复合材料的热释放率（HRR）和烟雾产生率（SPR）与时间的函数关系。i) F-MC@SiRF 样品燃烧后的扫描电镜图像，表明形成了 TiO₂/C/SiO₂混合保护层；以及 j) F-MC@SiRF 复合材料在燃烧过程中的结构演变示意图。

图 6. 复杂环境下的隔热和应变传感应用 在复杂环境下的隔热和应变传感应用：a) 放在钢板上的石蜡和 b) 用酒精火焰加热的 FMC@SiRF 样品，表明其具有优异的隔热性能和高温可靠性。c) F-MC@SiRF和 M@SiRF 复合材料在 25%、50% 和 75% 三个施加压缩应变值下的相对电阻变化，与不稳定的 MXene 网络相比，证实了混合 MC 网络的稳定恢复；d) 拉伸（ε = 50%）、e) 扭转循环测试下F-MC@SiRF 的相对电阻变化、 f) 不同弯曲角度下固定在手指上的 F-MC@SiRF 样品在 g) 挤入水溶液（酸/钠/碱）后的循环弯曲试验和 h) 0 和 150 ℃ 不同温度条件下的循环压缩试验（ε = 25%）中的相对电阻变化。

总之，通过一种绿色、快速的有机硅化学和浸涂策略，然后进行硅烷表面改性，简便地制备出了装饰有 MXene/CNF 混合涂层的自粘性 PDMS 泡沫材料及其纳米复合材料。硅烷修饰的 MXene/CNF 互联网络被粘合到自粘性 PDMS 泡沫材料上，因此即使暴露在水中也能获得极佳的结构稳定性。由此得到的 F-MC 涂层 PDMS 泡沫纳米复合材料具有绿色环保、加工极其简单、表面超疏水性（WCA ≈159°）、良好的结构稳定性（暴露于各种水溶液后形状和尺寸不变）、可调导电性（从 10-8 到 10 S m^-1）、高热稳定性（T5 值大于 340 ℃）、 在压缩和拉伸时均具有机械柔韧性，在宽温度范围（从 -20 到 200 ℃ 循环压缩100 次后可完全恢复）和复杂环境（酸、钠和碱）中均具有抗压可靠性、良好的隔热性能以及在各种应力模式或环境条件下的稳定应变感应。显然，本研究为制造阻燃隔热材料、智能传感器和可穿戴电子设备的多功能 PDMS 泡沫纳米复合材料提供了一种简便有效的方法。（文：SSC）