Aerogel di nanofibre di cellulosa essiccati dall’ambiente , stampabili in 3D e a conduzione elettrica mediante inclusione di polimeri funzionali

Svezia: aerogel di nanofibra di cellulosa stampati 3D per applicazioni industriali

I ricercatori svedesi stanno scavando più a fondo nel mondo della stampa 3D e della scienza in continua espansione che accompagna i materiali correlati. Le loro scoperte sono delineate negli ” Aerogel di nanofibre di cellulosa essiccati dall’ambiente , stampabili in 3D e a conduzione elettrica mediante inclusione di polimeri funzionali “, mentre cercano di fabbricare aerogel reticolati sia da nanofibre di cellulosa (CNF) che da alginato.

Poiché offrono “proprietà eccezionali” per uso industriale, sono richiesti aerogel. Fornendo caratteristiche come bassa densità e conducibilità termica, gli aerogel sono definiti come “un sottoinsieme di gel comprendente un solido microporoso in cui la fase dispersa è gassosa”. Sono noti per essere utili in applicazioni come isolamento termico, purificazione dell’acqua, accumulo di energia, acustica e assorbenti; tuttavia, non sono ancora utilizzati così ampiamente come potrebbero essere nel regno industriale.

Le nanofibre di cellulosa (CNF), derivate da fibre di legno, offrono tipicamente elevata rigidità, basso coefficiente di dilatazione termica e modulo elastico di 138 GPa. Presi dalla fibra di legno, hanno una larghezza di 4 nm e una lunghezza di 500–2000 nm. Il processo di estrazione può essere proibitivo in termini di costi, oltre a richiedere un trattamento esteso.

“Il costo del processo di estrazione può, tuttavia, essere significativamente ridotto dall’introduzione di frazioni caricate nella spina dorsale di cellulosa. Queste cariche portano alla repulsione elettrostatica tra i CNF vicini, contrastando così le forti interazioni inter-fibrillari che tengono insieme la parete della fibra e facilitano un’estrazione efficiente di CNF individualizzati. A questo proposito, l’ossidazione TEMPO e la carbossimetilazione sono due delle vie chimiche più utilizzate per introdurre i gruppi carbossilici nella cellulosa “, affermano i ricercatori.

I CNF carbossimetilati sono noti per essere adatti alla formazione di gel che possono essere liofilizzati in aerogel, costituiti da un nanocellulosio “altamente poroso, leggero e morbido”. Tali materiali devono tuttavia essere stabili all’acqua, comportando un processo che può essere impegnativo, ma coadiuvato dall’aggiunta di alginati.

a) Riepilogo schematico del protocollo per la preparazione degli aerogel utilizzando CNF, alginato e sale. b) Densità, restringimenti volumetrici e c) fotografie di aerogel preparate da miscele di differenti intensità ioniche, alginato e contenuto di CNF (tutte le fotografie sono presentate sulla stessa scala).

In questo studio, i ricercatori hanno creato gel di CNF carbossimetilati e alginato, sperimentando una nuova tecnica per la preparazione degli aerogel che comportava:

Congelamento
scongelamento
Solventi scambio
Essiccazione ambientale

Valutare la stabilità sul bagnato degli aerogel immergendoli in diverse soluzioni saline dallo stato secco e sottoponendoli a cicli di compressione con sforzi massimi crescenti (composizioni campione abbreviate come “x: yz × 10−3 m S” dove x corrisponde al peso frazione di CNF, y la frazione in peso di alginato, z la forza ionica aggiunta e S è il tipo di sale aggiunto durante la produzione di aerogel; NaCl o CaCl2). I grafici mostrano che solo i campioni contenenti alginato e immersi in CaCl2 (b e d) da 1 m hanno resistito ai quattro cicli di compressione consecutivi senza danni strutturali evidenti e, di conseguenza, sono stati considerati “stabili”.

Le doppie reti di alginato CNF sono state stampate in 3D e quindi ulteriormente analizzate mentre i ricercatori hanno valutato gli aerogel per applicazioni come accumulo di energia, sensori di umidità e altro. Prima però, avevano il compito di raggiungere la stabilità sul bagnato, personalizzare le proprietà meccaniche e modellare i materiali per la stampa 3D.

a) Riepilogo schematico del protocollo per la stampa 3D di miscele di alginato e CNF e successiva fabbricazione di aerogel. Foto di b) Griglie aerogel stampate in 3D prima (a sinistra) e dopo (a destra) asciugatura, c) Aerogel stampati in 3D di forma cilindrica e d) Aerogel stratificati che sono stati stampati in 3D con un approccio a doppia estrusione in cui gli strati scuri contiene una miscela di CNF, alginato e PEDOT: PSS e lo strato traslucido una miscela di CNF e alginato (i campioni mostrati su (c) e (d) sono stati immersi in acqua).

Durante l’analisi dei campioni allo stato secco, le proprietà meccaniche sono state “mostrate in scala con un aumento della loro densità”. Sono diventati bagnati stabili dopo essere stati imbevuti di calcio, con il team di ricerca che ha notato che ciò li renderebbe utili per applicazioni elettroniche o bioprinting di scaffold.

“Questo nuovo metodo di post-trattamento è più semplice e più ecologico degli attuali metodi di reticolazione all’avanguardia e rende il processo adatto alla produzione su scala industriale di aerogel stabili a umido”, hanno concluso i ricercatori. “In combinazione con questo, è stata dimostrata anche la capacità di stampare in 3D gli aerogel, il che consente la produzione in serie di aerogel in qualsiasi forma stampabile, un vantaggio evidente per alcune applicazioni come l’ingegneria dei tessuti in cui ogni dispositivo deve essere modellato individualmente con alta precisione .

“Infine, per dimostrare l’utilità di questi aerogel nel campo dell’elettronica organica, abbiamo sviluppato un protocollo acquoso di polimerizzazione in situ per funzionalizzare il materiale con PEDOT. Conduttività elettriche di 146 S m −1 sono state raggiunte con carichi di 1,7 g di PEDOT: TOS per grammo di aerogel. Questi aerogel funzionalizzati hanno dimostrato di essere particolarmente interessanti come materiali di accumulo di energia, mostrando capacità specifiche fino a 78 F g −1 . Inoltre, è stato dimostrato il loro uso come sensori di deformazione meccanica e umidità relativa. “

Voltammogrammi di un aerogel funzionalizzato da PEDOT e di un aerogel non funzionalizzato con una velocità di scansione di 5 mV s − 1; misurato in a) acetonitrile con 0,1 m TBAHFP eb) acqua con 0,1 m NaCl. c) Profilo di carica-scarica galvanica di un aerogel funzionalizzato con PEDOT ad una corrente di 0,1 A g − 1.

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