阻燃、强韧、超疏水的聚酰亚胺气凝胶纤维实现超低温/高温隔热!

早在几千年前,天然纤维就已被人类用于传统的保暖、隔热服装。随着社会发展和人类进步,人们对服装的功能性提出了更高的要求。近年来,更多类型的功能型纤维被研发出来,如中空纤维、超细纤维气凝胶纤维。其中,具有超高孔隙率、大比表面积和超低密度的气凝胶纤维被认为是下一代绝热纤维,因而受到广泛的关注。然而,由于传统的湿法纺丝方法在气凝胶本体的静态溶胶-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气凝胶纤维仍然是一个巨大的挑战。

中科院苏州纳米所张学同研究员等人开发了一种溶胶-凝胶受限过渡(SGCT)策略来制造各种介孔气凝胶纤维。采用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(接触角为153°)和出色的柔韧性(曲率半径为200 μm)因此,即使在恶劣的环境下,由PI气凝胶纤维制成的气凝胶织物在宽温度范围内也具有优异的绝热性能。此外,该SGCT方法已被证明能用于更多种类的不同气凝胶纤维的制备,突出了该技术的通用性。这项工作不仅为开发各种气凝胶纤维提供了一条途径,而且对推动纤维领域发展具有重要意义。该研究以题为“Polyimide Aerogel Fibers with Superior Flame Resistance, Strength, Hydrophobicity, and Flexibility Made via a Universal Sol–Gel Confined Transition Strategy”的论文发表在《ACS nano》上。

阻燃、强韧、超疏水的聚酰亚胺气凝胶纤维实现超低温/高温隔热!

 

【通过SGCT策略制造PI气凝胶纤维】

作者报道了一种通过溶胶-凝胶限制转变(SGCT)法制造PI气凝胶纤维的策略(图1)。首先通过表面张力将气凝胶前驱体PAA溶胶驱动到毛细管中,然后经过静态溶胶-凝胶工艺,在狭窄的空间中轻松形成聚酰亚胺凝胶纤维,最后通过超临界CO2干燥工艺获得了介孔气凝胶纤维。这种方法可以将气凝胶纤维的动态纺丝过程转变为在狭窄空间中的静态溶胶-凝胶过程,从而导致毛细管中的胶凝缓慢,而不是在常规纺丝过程中迅速形成纤维。所得气凝胶纤维的孔隙率在87.3%–88.9%的范围内,接近于块状PI气凝胶的孔隙率(92.8%),因此具备较好的隔热性能。

图1 SGCT制备聚酰亚胺气凝胶纤维的示意图
图1 SGCT制备聚酰亚胺气凝胶纤维的示意图

 

【疏水性、柔韧性、强度阻燃性

PI气凝胶纤维的水接触角高达153°,具备超疏水性(图2a),且在剧烈变形后没有断裂(图2b),这表明其具有很大的柔韧性。PI气凝胶纤维的强度可达到11 MPa,甚至可以悬挂100 g的重量(图2d)。此外,其模量达到123 MPa,断裂伸长率高达25%,远高于其他任何气凝胶纤维。作者还进行了着火测试(图2e),与其他纤维相比,PI气凝胶纤维很难着火,并且还有自熄特性,表明其具有出色的阻燃性。综上,由SGCT制得的PI气凝胶纤维具有大的比表面积、出色的机械性能、优异的疏水性和出色的柔韧性,可以成为绝热应用的理想选择。

 

图2 SGCT制备气凝胶纤维的优异性能
图2 SGCT制备气凝胶纤维的优异性能

 

PI气凝胶织物的隔热性能】

图3a显示了在100和250°C下棉纤维和气凝胶纤维的红外图像,其中PI气凝胶纤维表现出优异的绝热性能。此外,附着在人体皮肤上的PI气凝胶织物也显示出一定的隔热效果(图3c)。为了在极端条件下测试PI气凝胶纤维的隔热性能,作者将PI气凝胶织物放置在150°C热台上(图3e),结果PI气凝胶织物和棉织物的平衡温度分别为88和144°C,;当温度在−100°C时(图3i),两者的平衡温度分别为-62°C和-82°C,表明PI气凝胶织物的隔热性能更好。总之,由SGCT制备的PI气凝胶纤维在超低温和高温下均表现出极好的隔热性能,与传统的聚合物纤维相比,具有巨大的优势。

图3 气凝胶纤维的隔热性能
图3 气凝胶纤维的隔热性能

 

总结:作者通过SGCT方法成功地制备了具有典型介孔结构的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、超疏水性、出色的柔韧性和阻燃性。由气凝胶纤维织成的PI织物在宽温度范围内具有较低的热导率和出色的隔热性,可应用于防寒、耐火、日常隔热等领域。该SGCT方法在生产有机、无机气凝胶纤维方面具有优异的通用性和可控性,有望在各个领域实现应用,从而推动气凝胶领域的发展。

相关文章

微信