ナノを使用したポリ（ビニルアルコール）フリーズキャスト

Sep 30, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1020 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

凍結鋳造は、液体懸濁液 (水性またはその他) を凍結し、その後減圧下で固化状態を気体状態に昇華させ、その後残りの足場を焼結して支柱と壁を強化し、緻密化することで構成されます。 この構造は非常に多孔質であり、細孔は溶媒の結晶のレプリカです。 この技術はかなり多用途であり、細孔形成剤として液体溶媒 (ほとんどの場合は水) を使用することが強力な利点です。 凍結鋳造は、緻密なセラミックを生成するニアネットシェイプ成形ルートとしても開発されました。 この研究では、氷テンプレート法によって合成された多孔質複合材料について報告します。 ポリビニルアルコール (PVA) がマトリックスとして使用され、ナノシリカ (SiO2)、ナノクレイ (NC)、およびミクロフィブリル化セルロース (MFC) がフィラーとして使用され、PVA 足場の機械的安定性が向上します。 我々は、空隙率と機械的安定性に関する結果を示し、これらの多孔質ナノ複合材料が、低い熱伝導率と優れた機械的特性を備えた潜在的な断熱材料であると考えています。

氷鋳型としても知られる凍結鋳造は、さまざまな種類の材料に選択的な多孔性を導入する技術です1、2、3、4。 多孔質セラミックス 5、6、7、8、9、多孔質金属 10、11、12、ポリマー 13、14、15、および有機無機複合材料 16、17、18、19、20、21 が過去 20 年間に研究されてきました。

氷のテンプレート化プロセスは 3 つの主要なステップに分かれています。 まず、粒子またはポリマーを溶媒に分散または溶解します。 次に、前駆体分散液/溶液は、凍結剤 (通常は液体窒素) に浸されたコールドフィンガーに型を置くことによって温度勾配にさらされます 22。 このプロセス中、氷は、氷と水の界面での構造的な過冷却により、コールドフィンガーから分散液/溶液の上部まで凍結方向に沿って細長い結晶を形成します。 最後に、凍結した溶媒を凍結乾燥によって除去します。 氷テンプレートによって合成された材料の最も重要な利点は、等方性気孔率を有する材料と比較して機械的安定性が向上することであり、これは最大 400% 増加する可能性があります 14。

凍結鋳造によって形成された多孔質ポリマー構造は、さまざまな用途に使用されます。 氷をテンプレートとしたポリ（ビニルアルコール） PVA 複合材料またはゼラチンの開気孔構造 23 は、医薬品成分の標的放出や皮膚再生材料 24 に使用できます。 私たちの以前の研究の 1 つで、架橋 PVA フリーズキャストが潜在的な断熱材であることを示しました 25。 一般的に使用される断熱材の範囲内では熱伝導率は低いですが、他の発泡状断熱材と比較して機械的安定性が大幅に優れています。

多孔質材料の特性をさらに改善するために、合成中にさまざまな無機または有機フィラーを追加できます。 SiO26 やカーボンブラック 26、セルロースナノファイバー 27、28、またはケイ酸塩鉱物 29、30 などのナノ粒子を使用できます。 SiO231 を挿入すると、PVA 足場の機械的安定性が向上します。 Sun ら 31 は、凍結鋳造によって PVA 足場上にシリカコーティングを成長させることによって PVA エアロゲル/シリカ ナノ複合材料を合成し、圧縮強度を 1.8 MPa から 6.0 MPa に高めることができました。 PVA 足場にセルロース ナノファイバーを導入すると、機械的安定性も向上します 27。 Hostler et al.18 は、凍結鋳造によって PVA とナノクレイで作られた複合材料について報告しました。 この材料の熱伝導率は、凝固方向に垂直に 0.030 W m-1 K-1 と非常に低くなります。

この研究では、氷テンプレート法によって合成された多孔質複合材料について報告します。 この目的のために、PVA がマトリックスとして使用され、ナノシリカ (SiO2)、ナノクレイ (NC)、およびミクロフィブリル化セルロース (MFC) がフィラー材料として使用され、PVA 足場の機械的安定性が向上します。 私たちはこれらの多孔質ナノ複合材料を、低い熱伝導率と優れた機械的特性を備えた潜在的な断熱材料として評価しています。