【背景摘要】

具有超高孔隙率，大比表面积和超低密度的气凝胶纤维由于被认为是下一代绝热纤维而受到越来越多的关注。然而，由于传统的湿法纺丝方法在气溶胶的静态溶胶-凝胶转变与动态的湿法纺丝工艺之间存在明显的冲突，因此通过传统的湿纺方法制造任意的气凝胶纤维仍然是一个巨大的挑战。最近，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员团队开发了一种溶胶-凝胶密闭过渡(SGCT)策略，用于制造各种中孔气凝胶纤维，其中首先通过表面张力将气凝胶前体溶液驱动到毛细管中，然后在狭窄的空间中轻松形成凝胶纤维经过静态溶胶-凝胶工艺，最后通过超临界CO2干燥工艺获得了中孔气凝胶纤维。

相关论文以题为Polyimide Aerogel Fibers with Superior Flame Resistance, Strength, Hydrophobicity, and Flexibility Made via a Universal Sol–Gel Confined Transition Strategy发表在《ACS Nano》上。通常情况下，通过SGCT方法制备的聚酰亚胺(PI)气凝胶纤维具有较大的比表面积(最大364 m2/g)，出色的机械性能(弹性模量为123 MPa)，优异的疏水性(接触时)。角度为153°)和出色的柔韧性(曲率半径为200μm)。因此，即使在恶劣的环境下，由PI气凝胶纤维制成的气凝胶机织织物在宽温度范围内也具有优异的绝热性能。此外，已经成功地制造了任意种类的气凝胶纤维，包括有机气凝胶纤维，无机气凝胶纤维和有机-无机混合气凝胶纤维，这表明了SGCT策略的普遍性，这不仅为开发不同种类的气凝胶纤维提供了一种途径。组件，但在促进纤维领域升级方面也起着不可替代的作用。

【主图见析】

示意图1.(a)制备聚酰亚胺气凝胶纤维的SGCT策略示意图，(b)玻璃毛细管中PAA溶液的接触角，(c)垂直毛细管中PAA溶液的示意图，以及(d) 倾斜的毛细管，以及(e)从毛细管中去除凝胶纤维的过程。

图1.(a)PI气凝胶纤维的数码照片。(b)单个PI气凝胶纤维打结的光学显微镜照片。(c，d)以不同放大率编织到织物中的聚酰亚胺气凝胶纤维的数码照片。(e–h)PI-300气凝胶纤维的表面和横截面形态。

图2.(a)单个PI气凝胶纤维的疏水性。(b)单个PI气凝胶纤维的超柔韧性。(c)悬挂500克水的PI气凝胶织物，以及(d)不同直径的气凝胶纤维的拉伸应力-应变曲线。插图是单根PI-300气凝胶纤维，其重量为100 g，具有很强的机械强度。(e)商业棉纤维和PI气凝胶纤维之间的点火测试比较，表明PI气凝胶纤维的阻燃性优于商业棉纤维。

图3.(a)处于100和250°C温度的热台上的单个气凝胶纤维的红外图像。从红外图像获得气凝胶纤维的表面温度。(b)纤维表面和热台之间的温度差(|ΔT|)对应台温度。(c)PI气凝胶纺织品和棉纺织品的室温隔热测试的数码照片和红外照片。(d)用于在高温下测试PI气凝胶织物和棉纺织品的隔热性能的实验装置的示意图。(e)在150°C的稳定温度下，PI气凝胶织物和棉织物的温度-时间曲线。(f)PI气凝胶织物和棉织物在不稳定温度(150和205°C)下的温度-时间曲线。(g)用于在低温下测试PI气凝胶织物和棉纺织品的隔热性能的实验装置的示意图。(h，i)注射液氮时，PI气凝胶织物和棉织物在寒冷阶段的温度-时间曲线(h)在-165°C和(i)-100°C下。

图4.通过SGCT策略构造的各种气凝胶纤维:(a)琼脂糖，(b)芳族聚酰胺纳米纤维，(c)间苯二酚甲醛，(d)石墨烯，(e)由间苯二酚甲醛衍生的碳，(f)SiO2，(g)PI/SiO2，(h)石墨烯/CNT和(i)芳族聚酰胺纳米纤维/羧甲基纤维素。

【总结】

作者已经通过SGCT方法成功地制造了具有典型中孔结构的PI气凝胶纤维。所得的PI气凝胶纤维表现出较高的机械性能(强度为11 MPa;断裂伸长率为25%)，超疏水性(水CA = 153°)，出色的柔韧性(曲率半径= 200μm)和出色的阻燃性。此外，由气凝胶纤维织成的PI织物在较低的温度范围内(165–250°C)具有较低的热导率(0.025–0.032 W m-1 K-1)和出色的隔热性。结果表明，PI气凝胶纤维在恶劣的环境中可能是极好的绝热材料，可应用于防寒，耐火，日常隔热等领域。此外，通过该策略成功制备了更多种不同的气凝胶纤维(包括有机，无机和有机/无机杂化物质)，而气凝胶纤维的性能可以与散装气凝胶保持相同，这表明其气凝胶具有无与伦比的通用性。SGCT制造各种气凝胶纤维的策略。总之，具有如此优异的可用性和可控性，这种通用的SGCT策略可以建立一种生产有机和无机气凝胶纤维的方法，该方法将在许多应用领域中使用，并为气凝胶科学带来巨大的进步。

文章来源：《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/zonghexinwen/2021/0303/493.html