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東華大學《AM》聚酰亞胺卷曲納米纖維氣凝膠：極端溫度下的高性能隔熱黑科技

日期：2025-12-18 02:49
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摘要：東華大學《AM》聚酰亞胺卷曲納米纖維氣凝膠：極端溫度下的高性能隔熱黑科技


東華大學《AM》聚酰亞胺卷曲納米纖維氣凝膠：極端溫度下的高性能隔熱黑科技


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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

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**作者：王賽 博士
通訊作者：張世超 教授；丁彬 教授

文章DOI:10.1002/adma.202313444（點擊文末“閱讀原文”直達鏈接）

——————研究背景——————
隔熱服對于極端溫度下保持人體熱舒適性至關重要。傳統天然纖維材料隔熱性能有限，合成纖維雖性能有所提升，但仍受限于較大直徑和簡單堆疊結構，極端溫度耐受性不足。氣凝膠因多孔、小孔徑和高孔隙率特點被視為非常有前途的隔熱材料，傳統氣凝膠機械性能差。納米纖維氣凝膠作為新興材料，具有多孔3D結構，可成為極端溫度下個人防護的理想隔熱材料。然而，現有制造方法存在結構不可預測、機械性能弱、工藝復雜等缺點。
本研究展示了一種基于多射流靜電紡絲技術制造聚酰亞胺卷曲納米纖維氣凝膠的方法。該方法利用帶電流體與水的相互作用，直接形成高孔隙率的氣凝膠結構。所得PI納米纖維氣凝膠具有超輕、耐高溫和低溫、機械性能強以及低熱導率等特點，成為極端溫度下保持人體熱舒適度的理想材料。
——————研究亮點——————

1、通過在靜電紡絲過程中構建3D互鎖卷曲納米纖維網絡，直接合成了一種超輕、機械堅固且熱絕緣的聚酰亞胺（PI）氣凝膠。此方法通過控制溶液/水分子的相互作用和調節流體電荷密度，**制備了直徑為≈750 nm、卷曲率為28.5%的PI卷曲納米氣凝膠纖維。

2、PI氣凝膠具有超輕性能（密度為2.4 mg cm?3）、極端溫度耐受性（在?196至300 °C范圍內保持機械強度）和超低導熱性能（22.4 mW m?1K?1），為在極端溫度下保持人體熱舒適性提供了理想材料。

3、PI納米纖維氣凝膠具有極端的溫度耐受性和顯著的阻燃性，使其成為個人防護、能源和工程領域應用的有前途候選材料。其高性能隔熱功能將為這些領域提供大量機會。

——————研究內容——————
1、PI納米纖維氣凝膠的設計。

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圖 1（a） PI卷曲納米纖維氣凝膠合成圖示。（b）葉子上氣凝膠的光學圖像。（c-e） 不同放大倍率下PI氣凝膠的微觀結構。照片展示了PI 氣凝膠的（f） 機械和 （g）阻燃性能。（h） 氣凝膠在寒冷環境和高溫環境下的隔熱應用。

基于傳熱機理，文章設計了熱絕緣PI卷曲納米纖維氣凝膠，通過優化孔徑和孔隙率來調控熱量的傳導、對流和輻射。同時，通過構建彈性三維納米纖維網絡，提升氣凝膠的力學性能。
圖1a：采用多射流彈射模式，直接將PI卷曲納米纖維組裝成互鎖交聯網絡，形成了堅固的多孔氣凝膠結構。
圖1b：氣凝膠具有99.8%的高孔隙率，因此具有超輕特性且表現出顯著的疏水。
圖1c-e：其獨特的多孔氣凝膠結構由3D互鎖卷曲納米纖維網絡構成，通過亞胺化反應構建的交聯點顯著提升了結構的穩定性和力學性能。
圖1f-g：制備的PI卷曲納米纖維氣凝膠可輕松進行壓縮、拉伸和彎曲操作，并具有出色的阻燃性和自熄性。
圖1h：該氣凝膠還展現出**的隔熱性能：極端溫度下，其表面溫度顯著低于其他材料，如羽絨，凸顯了減少熱量損失的能力。極冷環境下，它仍能保持較高的表面溫度，同時在高溫下也表現出顯著的冷卻效果。這些特性使PI卷曲納米纖維氣凝膠成為有前途的個人防護材料，可在極端條件下保持人體熱舒適性。
2、PI卷曲納米纖維氣凝膠的構建。

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圖2納米纖維的SEM圖像，疏水劑濃度為（a）0 wt%和（b）10 wt%。（c）分別由親水射流和疏水射流構建納米纖維及其組裝體的圖示。（d-e）由PAA溶液與不同濃度疏水劑制備的PI卷曲納米纖維的卷曲率和平均直徑。（f）卷曲納米纖維的體積密度和孔隙率。（g）互鎖卷曲納米纖維網絡的形成過程圖示。（h）多個射流的光學圖像和納米纖維氣凝膠SEM圖像。（i）不同電荷密度的溶液射流制備的納米纖維氣凝膠的孔徑分布。

PI卷曲納米纖維氣凝膠的合成得益于卷曲納米纖維的形成及多射流靜電紡絲中的纖維互鎖與交聯。調控PAA前驅體溶液與水的相互作用可控制帶電射流的相位反轉，定制納米纖維結構。不同濃度的疏水劑可引發直納米纖維、卷曲納米纖維和納米纖維束的產生。
圖2a-b：隨著疏水劑濃度的增加，納米纖維由直變卷曲，形成3D結構。
圖2c：形成機制如圖所示，與H2O分子和溶液射流的相互作用有關。
圖2d-f：隨疏水劑濃度增加，納米纖維卷曲率和直徑均上升。卷曲納米纖維有助于構建體積密度更低、孔隙率更高的3D結構。
圖2g-i：通過調節電荷密度，實現多射流噴射模式，形成穩定的卷曲納米纖維網絡，而弱或不穩定的噴射模式會導致孔徑不均勻。
3、PI氣凝膠的極端溫度耐受性。

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圖3 （a） PI氣凝膠在冷凍前后的屈曲σ。（b） PI氣凝膠凍結后的原位彎曲。（c） 暴露于液氮的PI氣凝膠的壓縮和釋放過程。（d） PI氣凝膠在冷凍20 min后1000次循環中的剩余壓縮σ和塑性變形。（e） PI氣凝膠在100℃、200℃、300℃和400 ℃下的體積損失。（f）PI氣凝膠在300 ℃加熱20 min后的原位壓縮。（g） PI氣凝膠在300℃下循環1000次后的剩余壓縮σ和塑性變形。（h） PI氣凝膠在300℃時的儲能模量、損耗模量和阻尼比分別隨頻率的變化。（i） 熱重（TG）曲線，（j） PI 氣凝膠、PET 和棉花的 LOI 值、（k） HRR 和（l） THR。

圖3a-c：PI卷曲納米纖維氣凝膠因其組分的固有耐受性，展現出**的極端溫度適應性。在-196℃液氮中處理20分鐘后，其機械性能僅略有下降，且能迅速恢復原狀，顯示出超彈性和抗疲勞性。
圖3e-f：該氣凝膠在100-300℃范圍內結構穩定，400°C時體積損失僅10%。在300℃處理后仍能保持良好的壓縮恢復能力。
圖3g-h：在300℃下的循環疲勞試驗表現出穩定的性能。該氣凝膠的粘彈性在高溫下也幾乎不變。
圖3i-l：PI氣凝膠還具有顯著的阻燃性。其分解溫度高達416.3℃，極限氧指數值高于棉花和PET。在燃燒測試中，PI氣凝膠展現出自熄性。


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