聚合物气凝胶纤维具有气凝胶材料超高孔隙率、超低密度和低导热系数等特性,同时还具有纤维材料优异的柔韧性和可编织性等优点,是理想的人体热管理材料。然而,目前报道的气凝胶纤维受限于机械性能不理想、制备工艺复杂以及热稳性差等问题,难以满足在生活中,尤其是在极端环境下的使用。因此如何通过简单的方法快速大规模制备气凝胶纤维,并赋予其优异的热温稳定性成为亟待解决的问题。
针对以上问题,东华大学张清华教授团队以可溶性聚酰亚胺(6FDA-TFMB-DABA)为纺丝原液,采用湿法纺丝工艺结合冷冻干燥技术制备了一种“核-鞘”结构的聚酰亚胺气凝胶纤维(PAFs),其中,密实的“鞘”为PAFs提供了优异的力学支撑,使其表现出优异的机械性能, 其拉伸断裂强度可达265 MPa,初始模量为7.9 GPa;纺丝过程中通过对凝固浴环境的控制可以实现对PAFs比表面积和孔隙率以及机械性能的调控,比表面积可达464 m2/g。该方法可以连续快速大规模制备聚酰亚胺气凝胶纤维。
图1. (A) PAFs和气凝胶织物的制备过程示意图;(B-E) PAFs表面及截面SEM图像;(F, G) PAF在去离子水中浸泡72 h后SEM图像;(H) PAF-5的氮气吸附/脱吸等温线及孔径分布;(I)不同凝固浴温度下制备的PAFs的密度和孔隙率;(J,K) PAF纤维束的SEM图像及气凝胶纤维织物照片。
研究中进一步对PAFs织物在不同温度环境下的隔热保温效果进行了表征。得益于PI优异的耐高低温稳定性和PAFs超高孔隙的特点,PAFs织物在不同的温度环境下均表现出优异的隔热保温特性,同时还表现出优异的红外隐身特性,是理想的隔热防护材料。
图2. (A, B)低/高温环境下PAFs织物的隔热性能;(C, D)不同层数 PAFs织物在不同环境温度下红外热成像图片及其温差范围; (E, F)室温条件下PAFs红外隐身;(F)PAFs织物的保温机理示意图。
此外,通过简单的“银镜反应”在PAFs表面及内部沉积银纳米颗粒(AgNP),赋予PAFs导电的特性。同时,PAFs织物表现出优异的电磁屏蔽特性,三层PAFs-AgNP织物(厚度~1.2 mm)在X波段电磁屏蔽效能达到54 dB,同时还表现出良好的隔热保温效果,使PAFs织物能满足在高电磁辐射环境下实现对人体隔热保温防护的要求。
图3.(A-E)PAFs-AgNP的SEM及EDS元素分布图片。(F-I) PAFs-AgNP的导电性。(J-L) PAFs-AgNP织物的电磁屏蔽效果及机理。
该研究成果以“Facile Preparation of Continuous and Porous Polyimide Aerogel Fibers for Multifunctional Applications”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上,该文第一作者为博士生李猛猛,通讯作者为东华大学材料科学与工程学院董杰副教授和张清华教授。
论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c21842
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