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鄭州大學(xué)劉春太教授/馮躍戰(zhàn)副教授團(tuán)隊(duì) Small：室溫干燥法快速制備具有良好機(jī)械性能和保溫性能的柔性芳綸納米氣凝膠纖維
2024-12-27  來源：高分子科技

  氣凝膠纖維結(jié)合了氣凝膠（輕質(zhì)和多孔性）和纖維（柔韌性和可編織）的特點(diǎn)，在下一代熱防護(hù)紡織品方面表現(xiàn)出巨大的潛力；目前，復(fù)雜的干燥程序和機(jī)械脆性仍然是氣凝膠纖維進(jìn)一步開發(fā)的主要障礙。常壓干燥條件溫和、設(shè)備簡單，是氣凝膠纖維實(shí)現(xiàn)低成本、連續(xù)化和規(guī)模化生產(chǎn)的主要研究和發(fā)展方向之一。然而，消除室溫干燥時(shí)的毛細(xì)管力與不可逆收縮，實(shí)現(xiàn)在室溫下去除納米孔洞中溶劑并保持凝膠骨架結(jié)構(gòu)不塌陷，從而獲得性能優(yōu)異的氣凝膠纖維材料是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


  近期，鄭州大學(xué)劉春太教授和馮躍戰(zhàn)副教授團(tuán)隊(duì)通過連續(xù)濕法紡絲和快速室溫干燥的方法，規(guī)；刂苽淞巳犴g堅(jiān)固的芳綸納米氣凝膠纖維（ANAF）。這種合成方法涉及鈣離子（Ca2+）交聯(lián)和低表面張力溶劑的溶劑置換，目的分別是增強(qiáng)骨架強(qiáng)度和降低溶劑蒸發(fā)過程中的毛細(xì)管力（圖1a），從而使 ANAF 的收縮率降至 29.0%，比表面積增至 225.0 m2/g（圖2d，f）。室溫干燥后得到的 ANAF 顯示出優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（13.5 MPa）和韌性（7.0 MJ/m3）（圖3a，b），使其能夠輕松織成紡織品而不會(huì)損壞。重要的是，具有皮芯多孔結(jié)構(gòu)的 ANAF 紡織品具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)（38.5 mW m-1 K-1），在較寬的溫度范圍（-196 ℃ - 400 ℃）內(nèi)具有出色的隔熱能力（圖4）。此外，芳綸分子結(jié)構(gòu)和 Ca2+ 交聯(lián)賦予了 ANAF 很高的熱穩(wěn)定性和阻燃性（圖5）。這項(xiàng)工作對有效合成具有優(yōu)異機(jī)械特性的ANF基氣凝膠纖維提供了寶貴的見解，對于高性能氣凝膠纖維的發(fā)展及其在熱防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。


圖1. (a) ANF 氣凝膠纖維（ANAF）的制造工藝示意圖。(b) ANAF 的橫截面 SEM 圖像和 (c) EDS 圖譜。(d）直徑為 738 μm 的 ANAF 卷筒照片。(e) ANAF 在卷曲、彎曲和打結(jié)過程中的照片。(f) ANAF 結(jié)的掃描電鏡圖像。(g) 單個(gè) ANAF 承受 500 克拉載荷的照片和四個(gè)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 光譜。(i) ANAF-A0 和 ANAF-A1 C 1s 區(qū)域的 XPS 光譜。


圖2. ANAF-A 在（a）不同 ANF 濃度、（b）不同 Ca2+ 濃度下的截面 SEM 圖像。(c) 不同 Ca2+ 濃度和干燥過程中 ANAF 的截面 SEM 圖像、(d) 直徑收縮率、(e) 密度和孔隙率以及 (f) 氮?dú)馕?脫附等溫線。


圖3.（a）不同 ANAF 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（b）拉伸強(qiáng)度/斷裂韌性。(c) ANAF-A1 的拉伸應(yīng)力和斷裂應(yīng)變與已報(bào)道氣凝膠的比較（詳細(xì)數(shù)據(jù)見表 S1，佐證資料）。在拉伸應(yīng)變?yōu)椋╠、d''和 d''''）0%、（e、e''和 e''''）30%、（f、f''和 f''''）60%和（g、g''和 g''''）斷裂（89.9%）時(shí)，ANAF-A1 的表面和橫截面 SEM 圖像以及2D WAXD 圖形。(h) ANAF-A1 斷裂機(jī)制示意圖。


圖4. (a) ANAF 紡織品的編織過程示意圖。(b、c）不同 ANAF 紡織品在室溫下的熱導(dǎo)率。(d) 100-400 ℃ 熱臺(tái)上 ANAF 紡織品平衡狀態(tài)下的紅外熱像儀圖像。(e) 不同 ANAF 紡織品在不同熱臺(tái)上的溫度-時(shí)間曲線和 (f) 紡織品表面與熱臺(tái)之間的溫差（|ΔT|）。(g) ANAF-A1 不同層紡織品在高溫階段的溫度-時(shí)間曲線和 (h) |ΔT|。(i) 不同 ANAF 紡織品在注入液氮的冷源表面上的溫度-時(shí)間曲線。(j) 手臂上的ANAF-A1 腕帶和棉質(zhì)腕帶在室溫下的照片和紅外熱像儀圖像。(k) 66 °C 和 (l) -4 °C 環(huán)境下 ANAF-A1 腕帶、棉織品和裸露皮膚的溫度-時(shí)間曲線。


圖5.（a）PPTA 和不同 ANAF 在空氣中的熱重曲線。(b) 不同 ANAF 的熱釋放速率，(c) 總熱釋放曲線。(d) ANAF-A1、(e) ANAF-F1、(f) ANAF-A0 和 (g) ANAF-F0 的水平燃燒測試。


  該工作以題為“Air-Drying for Rapid Manufacture of Flexible Aramid Nanofiber Aerogel Fibers with Robust Mechanical Properties and Thermal Insulation in Harsh Environments”發(fā)表在《Small》上。文章第一作者為鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心研究生程雅潔和博士生程洪利，通訊作者為鄭州大學(xué)馮躍戰(zhàn)副教授和劉春太教授。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202409408

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