早在幾千年前，天然纖維就已被人類用于傳統(tǒng)的保暖、隔熱服裝。隨著社會(huì)發(fā)展和人類進(jìn)步，人們對(duì)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(fā)出來，如中空纖維、超細(xì)纖維和氣凝膠纖維。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(rèn)為是下一代絕熱纖維，因而受到廣泛的關(guān)注。然而，由于傳統(tǒng)的濕法紡絲方法在氣凝膠本體的靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變與動(dòng)態(tài)的濕法紡絲工藝之間存在明顯的沖突，因此通過傳統(tǒng)的濕紡方法制造任意氣凝膠纖維仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
中科院蘇州納米所張學(xué)同研究員等人開發(fā)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(jī)械性能（彈性模量為123 MPa）、優(yōu)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(huán)境下，由PI氣凝膠纖維制成的氣凝膠織物在寬溫度范圍內(nèi)也具有優(yōu)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(shù)的通用性。這項(xiàng)工作不僅為開發(fā)各種氣凝膠纖維提供了一條途徑，而且對(duì)推動(dòng)纖維領(lǐng)域發(fā)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(fā)表在《ACS nano》上。
【通過SGCT策略制造PI氣凝膠纖維】
作者報(bào)道了一種通過溶膠-凝膠限制轉(zhuǎn)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(qū)體PAA溶膠驅(qū)動(dòng)到毛細(xì)管中，然后經(jīng)過靜態(tài)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(dòng)態(tài)紡絲過程轉(zhuǎn)變?yōu)樵讵M窄空間中的靜態(tài)溶膠-凝膠過程，從而導(dǎo)致毛細(xì)管中的膠凝緩慢，而不是在常規(guī)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(nèi)，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。
PI氣凝膠纖維的水接觸角高達(dá)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(qiáng)度可達(dá)到11 MPa，甚至可以懸掛100 g的重量（圖2d）。此外，其模量達(dá)到123 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)25％，遠(yuǎn)高于其他任何氣凝膠纖維。作者還進(jìn)行了著火測(cè)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(jī)械性能、優(yōu)異的疏水性和出色的柔韌性，可以成為絕熱應(yīng)用的理想選擇。
【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(xiàn)出優(yōu)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(cè)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(tái)上（圖3e），結(jié)果PI氣凝膠織物和棉織物的平衡溫度分別為88和144°C，；當(dāng)溫度在?100°C時(shí)（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。總之，由SGCT制備的PI氣凝膠纖維在超低溫和高溫下均表現(xiàn)出極好的隔熱性能，與傳統(tǒng)的聚合物纖維相比，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。
總結(jié)：作者通過SGCT方法成功地制備了具有典型介孔結(jié)構(gòu)的PI氣凝膠纖維。所得的PI氣凝膠纖維表現(xiàn)出較高的機(jī)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(nèi)具有較低的熱導(dǎo)率和出色的隔熱性，可應(yīng)用于防寒、耐火、日常隔熱等領(lǐng)域。該SGCT方法在生產(chǎn)有機(jī)、無機(jī)氣凝膠纖維方面具有優(yōu)異的通用性和可控性，有望在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，從而推動(dòng)氣凝膠領(lǐng)域的發(fā)展。
