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        早在幾千年前,天然纖維就已被人類用于傳統的保暖、隔熱服裝。隨著社會發展和人類進步,人們對服裝的功能性提出了更高的要求。近年來,更多類型的功能型纖維被研發出來,如中空纖維、超細纖維氣凝膠纖維。其中,具有超高孔隙率、大比表面積和超低密度的氣凝膠纖維被認為是下一代絕熱纖維,因而受到廣泛的關注。然而,由于傳統的濕法紡絲方法在氣凝膠本體的靜態溶膠-凝膠轉變與動態的濕法紡絲工藝之間存在明顯的沖突,因此通過傳統的濕紡方法制造任意氣凝膠纖維仍然是一個巨大的挑戰。

        中科院蘇州納米所張學同研究員等人開發了一種溶膠-凝膠受限過渡(SGCT)策略來制造各種介孔氣凝膠纖維。采用SGCT方法制備的聚酰亞胺(PI)氣凝膠纖維具有較大的比表面積(最大364 m2/g)、出色的機械性能(彈性模量為123 MPa)、優異的疏水性(接觸角為153°)和出色的柔韌性(曲率半徑為200 μm)。因此,即使在惡劣的環境下,由PI氣凝膠纖維制成的氣凝膠織物在寬溫度范圍內也具有優異的絕熱性能。此外,該SGCT方法已被證明能用于更多種類的不同氣凝膠纖維的制備,突出了該技術的通用性。這項工作不僅為開發各種氣凝膠纖維提供了一條途徑,而且對推動纖維領域發展具有重要意義。該研究以題為“Polyimide Aerogel Fibers with Superior Flame Resistance, Strength, Hydrophobicity, and Flexibility Made via a Universal Sol–Gel Confined Transition Strategy”的論文發表在《ACS nano》上。

        阻燃、強韌、超疏水的聚酰亞胺氣凝膠纖維實現超低溫/高溫隔熱!

         

        【通過SGCT策略制造PI氣凝膠纖維】

        作者報道了一種通過溶膠-凝膠限制轉變(SGCT)法制造PI氣凝膠纖維的策略(圖1)。首先通過表面張力將氣凝膠前驅體PAA溶膠驅動到毛細管中,然后經過靜態溶膠-凝膠工藝,在狹窄的空間中輕松形成聚酰亞胺凝膠纖維,最后通過超臨界CO2干燥工藝獲得了介孔氣凝膠纖維。這種方法可以將氣凝膠纖維的動態紡絲過程轉變為在狹窄空間中的靜態溶膠-凝膠過程,從而導致毛細管中的膠凝緩慢,而不是在常規紡絲過程中迅速形成纖維。所得氣凝膠纖維的孔隙率在87.3%–88.9%的范圍內,接近于塊狀PI氣凝膠的孔隙率(92.8%),因此具備較好的隔熱性能。

        圖1 SGCT制備聚酰亞胺氣凝膠纖維的示意圖
        圖1 SGCT制備聚酰亞胺氣凝膠纖維的示意圖

         

        【疏水性、柔韌性、強度阻燃性

        PI氣凝膠纖維的水接觸角高達153°,具備超疏水性(圖2a),且在劇烈變形后沒有斷裂(圖2b),這表明其具有很大的柔韌性。PI氣凝膠纖維的強度可達到11 MPa,甚至可以懸掛100 g的重量(圖2d)。此外,其模量達到123 MPa,斷裂伸長率高達25%,遠高于其他任何氣凝膠纖維。作者還進行了著火測試(圖2e),與其他纖維相比,PI氣凝膠纖維很難著火,并且還有自熄特性,表明其具有出色的阻燃性。綜上,由SGCT制得的PI氣凝膠纖維具有大的比表面積、出色的機械性能、優異的疏水性和出色的柔韌性,可以成為絕熱應用的理想選擇。

         

        圖2 SGCT制備氣凝膠纖維的優異性能
        圖2 SGCT制備氣凝膠纖維的優異性能

         

        PI氣凝膠織物的隔熱性能】

        圖3a顯示了在100和250°C下棉纖維和氣凝膠纖維的紅外圖像,其中PI氣凝膠纖維表現出優異的絕熱性能。此外,附著在人體皮膚上的PI氣凝膠織物也顯示出一定的隔熱效果(圖3c)。為了在極端條件下測試PI氣凝膠纖維的隔熱性能,作者將PI氣凝膠織物放置在150°C熱臺上(圖3e),結果PI氣凝膠織物和棉織物的平衡溫度分別為88和144°C,;當溫度在?100°C時(圖3i),兩者的平衡溫度分別為-62°C和-82°C,表明PI氣凝膠織物的隔熱性能更好??傊?,由SGCT制備的PI氣凝膠纖維在超低溫和高溫下均表現出極好的隔熱性能,與傳統的聚合物纖維相比,具有巨大的優勢。

        圖3 氣凝膠纖維的隔熱性能
        圖3 氣凝膠纖維的隔熱性能

         

        總結:作者通過SGCT方法成功地制備了具有典型介孔結構的PI氣凝膠纖維。所得的PI氣凝膠纖維表現出較高的機械性能、超疏水性、出色的柔韌性和阻燃性。由氣凝膠纖維織成的PI織物在寬溫度范圍內具有較低的熱導率和出色的隔熱性,可應用于防寒、耐火、日常隔熱等領域。該SGCT方法在生產有機、無機氣凝膠纖維方面具有優異的通用性和可控性,有望在各個領域實現應用,從而推動氣凝膠領域的發展。

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