郑州大学刘春太教授/冯跃战副教授团队 Small：室温干燥法快速制备具有良好机械性能和保温性能的柔性芳纶纳米气凝胶纤维

2024-12-27 来源：高分子科技

气凝胶纤维结合了气凝胶（轻质和多孔性）和纤维（柔韧性和可编织）的特点，在下一代热防护纺织品方面表现出巨大的潜力；目前，复杂的干燥程序和机械脆性仍然是气凝胶纤维进一步开发的主要障碍。常压干燥条件温和、设备简单，是气凝胶纤维实现低成本、连续化和规模化生产的主要研究和发展方向之一。然而，消除室温干燥时的毛细管力与不可逆收缩，实现在室温下去除纳米孔洞中溶剂并保持凝胶骨架结构不塌陷，从而获得性能优异的气凝胶纤维材料是一个巨大的挑战。

近期，郑州大学刘春太教授和冯跃战副教授团队通过连续湿法纺丝和快速室温干燥的方法，规模化地制备了柔韧坚固的芳纶纳米气凝胶纤维（ANAF）。这种合成方法涉及钙离子（Ca²⁺）交联和低表面张力溶剂的溶剂置换，目的分别是增强骨架强度和降低溶剂蒸发过程中的毛细管力（图1a），从而使 ANAF 的收缩率降至 29.0%，比表面积增至 225.0 m²/g（图2d，f）。室温干燥后得到的 ANAF 显示出优异的拉伸强度（13.5 MPa）和韧性（7.0 MJ/m³）（图3a，b），使其能够轻松织成纺织品而不会损坏。重要的是，具有皮芯多孔结构的 ANAF 纺织品具有较低的导热系数（38.5 mW m^-1 K^-1），在较宽的温度范围（-196 ℃ - 400 ℃）内具有出色的隔热能力（图4）。此外，芳纶分子结构和 Ca²⁺ 交联赋予了 ANAF 很高的热稳定性和阻燃性（图5）。这项工作对有效合成具有优异机械特性的ANF基气凝胶纤维提供了宝贵的见解，对于高性能气凝胶纤维的发展及其在热防护领域的应用至关重要。

图1. (a) ANF 气凝胶纤维（ANAF）的制造工艺示意图。(b) ANAF 的横截面 SEM 图像和 (c) EDS 图谱。(d）直径为 738 μm 的 ANAF 卷筒照片。(e) ANAF 在卷曲、弯曲和打结过程中的照片。(f) ANAF 结的扫描电镜图像。(g) 单个 ANAF 承受 500 克拉载荷的照片和四个并排放置的 ANAF 提起 2.5 千克水桶的照片。(h) PPTA、ANAF-A₀ 和 ANAF-A₁ 的 XPS、(j) FT-IR 和 (k) XRD 光谱。(i) ANAF-A₀ 和 ANAF-A₁ C 1s 区域的 XPS 光谱。

图2. ANAF-A 在（a）不同 ANF 浓度、（b）不同 Ca²⁺ 浓度下的截面 SEM 图像。(c) 不同 Ca²⁺ 浓度和干燥过程中 ANAF 的截面 SEM 图像、(d) 直径收缩率、(e) 密度和孔隙率以及 (f) 氮气吸附-脱附等温线。

图3.（a）不同 ANAF 拉伸应力-应变曲线和（b）拉伸强度/断裂韧性。(c) ANAF-A₁ 的拉伸应力和断裂应变与已报道气凝胶的比较（详细数据见表 S1，佐证资料）。在拉伸应变为（d、d''和 d''''）0%、（e、e''和 e''''）30%、（f、f''和 f''''）60%和（g、g''和 g''''）断裂（89.9%）时，ANAF-A₁ 的表面和横截面 SEM 图像以及2D WAXD 图形。(h) ANAF-A₁ 断裂机制示意图。

图4. (a) ANAF 纺织品的编织过程示意图。(b、c）不同 ANAF 纺织品在室温下的热导率。(d) 100-400 ℃ 热台上 ANAF 纺织品平衡状态下的红外热像仪图像。(e) 不同 ANAF 纺织品在不同热台上的温度-时间曲线和 (f) 纺织品表面与热台之间的温差（|ΔT|）。(g) ANAF-A₁ 不同层纺织品在高温阶段的温度-时间曲线和 (h) |ΔT|。(i) 不同 ANAF 纺织品在注入液氮的冷源表面上的温度-时间曲线。(j) 手臂上的ANAF-A₁ 腕带和棉质腕带在室温下的照片和红外热像仪图像。(k) 66 °C 和 (l) -4 °C 环境下 ANAF-A₁ 腕带、棉织品和裸露皮肤的温度-时间曲线。

图5.（a）PPTA 和不同 ANAF 在空气中的热重曲线。(b) 不同 ANAF 的热释放速率，(c) 总热释放曲线。(d) ANAF-A₁、(e) ANAF-F₁、(f) ANAF-A₀ 和 (g) ANAF-F₀ 的水平燃烧测试。

该工作以题为“Air-Drying for Rapid Manufacture of Flexible Aramid Nanofiber Aerogel Fibers with Robust Mechanical Properties and Thermal Insulation in Harsh Environments”发表在《Small》上。文章第一作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心研究生程雅洁和博士生程洪利，通讯作者为郑州大学冯跃战副教授和刘春太教授。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202409408

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（责任编辑：xu）

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