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 【背景摘要】

具有超高孔隙率，大比表面積和超低密度的氣凝膠纖維由于被認為是下一代絕熱纖維而受到越來越多的關(guān)注。然而，由于傳統(tǒng)的濕法紡絲方法在氣溶膠的靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變與動態(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的氣凝膠纖維仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。最近，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張學(xué)同研究員團隊開發(fā)了一種溶膠-凝膠密閉過渡（SGCT）策略，用于制造各種中孔氣凝膠纖維，其中首先通過表面張力將氣凝膠前體溶液驅(qū)動到毛細管中，然后在狹窄的空間中輕松形成凝膠纖維經(jīng)過靜態(tài)溶膠-凝膠工藝，最后通過超臨界CO2干燥工藝獲得了中孔氣凝膠纖維。

相關(guān)論文以題為Polyimide Aerogel Fibers with Superior Flame Resistance, Strength, Hydrophobicity, and Flexibility Made via a Universal Sol–Gel Confined Transition Strategy發(fā)表在《ACS Nano》上。通常情況下，通過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），出色的機械性能（彈性模量為123 MPa），優(yōu)異的疏水性（接觸時）。角度為153°）和出色的柔韌性（曲率半徑為200μm）。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機織織物在寬溫度范圍內(nèi)也具有優(yōu)異的絕熱性能。此外，已經(jīng)成功地制造了任意種類的氣凝膠纖維，包括有機氣凝膠纖維，無機氣凝膠纖維和有機-無機混合氣凝膠纖維，這表明了SGCT策略的普遍性，這不僅為開發(fā)不同種類的氣凝膠纖維提供了一種途徑。組件，但在促進纖維領(lǐng)域升級方面也起著不可替代的作用。

【主圖見析】

示意圖1.（a）制備聚酰亞胺氣凝膠纖維的SGCT策略示意圖，（b）玻璃毛細管中PAA溶液的接觸角，（c）垂直毛細管中PAA溶液的示意圖，以及（d） 傾斜的毛細管，以及（e）從毛細管中去除凝膠纖維的過程。

圖1.（a）PI氣凝膠纖維的數(shù)碼照片。（b）單個PI氣凝膠纖維打結(jié)的光學(xué)顯微鏡照片。（c，d）以不同放大率編織到織物中的聚酰亞胺氣凝膠纖維的數(shù)碼照片。（e–h）PI-300氣凝膠纖維的表面和橫截面形態(tài)。

圖2.（a）單個PI氣凝膠纖維的疏水性。（b）單個PI氣凝膠纖維的超柔韌性。（c）懸掛500克水的PI氣凝膠織物，以及（d）不同直徑的氣凝膠纖維的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖是單根PI-300氣凝膠纖維，其重量為100 g，具有很強的機械強度。（e）商業(yè)棉纖維和PI氣凝膠纖維之間的點火測試比較，表明PI氣凝膠纖維的阻燃性優(yōu)于商業(yè)棉纖維。

圖3.（a）處于100和250°C溫度的熱臺上的單個氣凝膠纖維的紅外圖像。從紅外圖像獲得氣凝膠纖維的表面溫度。（b）纖維表面和熱臺之間的溫度差（|ΔT|）對應(yīng)臺溫度。（c）PI氣凝膠紡織品和棉紡織品的室溫隔熱測試的數(shù)碼照片和紅外照片。（d）用于在高溫下測試PI氣凝膠織物和棉紡織品的隔熱性能的實驗裝置的示意圖。（e）在150°C的穩(wěn)定溫度下，PI氣凝膠織物和棉織物的溫度-時間曲線。（f）PI氣凝膠織物和棉織物在不穩(wěn)定溫度（150和205°C）下的溫度-時間曲線。（g）用于在低溫下測試PI氣凝膠織物和棉紡織品的隔熱性能的實驗裝置的示意圖。（h，i）注射液氮時，PI氣凝膠織物和棉織物在寒冷階段的溫度-時間曲線（h）在-165°C和（i）-100°C下。

圖4.通過SGCT策略構(gòu)造的各種氣凝膠纖維：（a）瓊脂糖，（b）芳族聚酰胺納米纖維，（c）間苯二酚甲醛，（d）石墨烯，（e）由間苯二酚甲醛衍生的碳，（f）SiO2，（g）PI/SiO2，（h）石墨烯/CNT和（i）芳族聚酰胺納米纖維/羧甲基纖維素。

【總結(jié)】

作者已經(jīng)通過SGCT方法成功地制造了具有典型中孔結(jié)構(gòu)的PI氣凝膠纖維。所得的PI氣凝膠纖維表現(xiàn)出較高的機械性能（強度為11 MPa；斷裂伸長率為25％），超疏水性（水CA = 153°），出色的柔韌性（曲率半徑= 200μm）和出色的阻燃性。此外，由氣凝膠纖維織成的PI織物在較低的溫度范圍內(nèi)（−165–250°C）具有較低的熱導(dǎo)率（0.025–0.032 W m-1 K-1）和出色的隔熱性。結(jié)果表明，PI氣凝膠纖維在惡劣的環(huán)境中可能是極好的絕熱材料，可應(yīng)用于防寒，耐火，日常隔熱等領(lǐng)域。此外，通過該策略成功制備了更多種不同的氣凝膠纖維（包括有機，無機和有機/無機雜化物質(zhì)），而氣凝膠纖維的性能可以與散裝氣凝膠保持相同，這表明其氣凝膠具有無與倫比的通用性。SGCT制造各種氣凝膠纖維的策略。總之，具有如此優(yōu)異的可用性和可控性，這種通用的SGCT策略可以建立一種生產(chǎn)有機和無機氣凝膠纖維的方法，該方法將在許多應(yīng)用領(lǐng)域中使用，并為氣凝膠科學(xué)帶來巨大的進步。

參考文獻：
doi.org/10.1021/acsnano.0c09391

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