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。

阻燃、強(qiáng)韌、超疏水的聚酰亞胺氣凝膠纖維實(shí)現(xiàn)超低溫/高溫隔熱!

 

【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。

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(qiáng)度阻燃性

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。

 

圖2 SGCT制備氣凝膠纖維的優(yōu)異性能
圖2 SGCT制備氣凝膠纖維的優(yōu)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(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)。

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(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。

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