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一种实现气凝胶纤维常压连续成形的创新方法
发布日期:2023-12-29 浏览次数:477

      气凝胶纤维结合了气凝胶的三维多孔结构和纤维的柔性,具有轻质、高孔隙率和低热导率等特点。作为一种新型纤维材料,它有望替代羽绒、超细纤维等传统材料,在保温隔热纺织品领域展现出巨大的应用潜力。其中,聚酰亚胺气凝胶纤维具有良好的耐温和耐候性,在消防服、宇航服等产品中具有良好的应用前景。然而,聚酰亚胺气凝胶的连续成形也面临着一些挑战,如何实现纺丝溶液的快速动态溶胶 — 凝胶转变以及构建高强度凝胶骨架从而实现气凝胶纤维的常压连续化成形是本领域亟需解决的问题。

      基于此,刘天西、樊玮教授团队提出了一种“紫外增强动态凝胶”的气凝胶纤维成形新策略,首次通过常压干燥制备了交联聚酰亚胺(CPI)气凝胶纤维。该策略使光敏聚酰亚胺纺丝液在紫外线作用下快速转变为高强度的凝胶骨架,有效地保持纤维形状和三维骨架;进一步通过溶剂置换和常压干燥,在7 h内可连续生产出长度达数百米的高比模量CPI气凝胶纤维,效率高于已报道的方法。此外,CPI气凝胶织物的隔热性能与羽绒几乎相同,但厚度仅约为羽绒的1/8。


      研究人员合成了一种侧链上含有不饱和双键的有机可溶性光敏聚酰亚胺纺丝液,其通过喷丝头挤出后,在紫外增强动态凝胶策略下,随机分布的分子链在紫外线照射下快速交联形成高强度的凝胶网络,通过溶剂置换和常压干燥制备了CPI气凝胶纤维。其快速凝胶化过程和常压干燥为快速、连续和大规模地制备CPI气凝胶纤维提供了可能性。

      与先前报道的凝胶化策略相比,该研究提出的紫外增强动态凝胶策略可诱导纺丝液快速发生溶胶-凝胶转变形成高储能模量的凝胶网络。值得注意的是,这种高强度凝胶骨架有效防止了气凝胶纤维在常压干燥过程中的结构坍塌。因此,通过湿法纺丝、溶剂置换和常压干燥,只需约7 h即可制备气凝胶纤维。


      研究人员进一步探究了交联度对CPI气凝胶纤维性能的影响,发现随着交联度增加,CPI气凝胶纤维的收缩率逐渐降低,其形态由不规则的腰果状转变为规则的圆形。这主要归因于CPI-100的高度交联网络,避免了常压干燥时结构坍塌。将编织的CPI-100气凝胶织物与羽绒、棉和聚酰亚胺织物放置于热台上进行隔热性能对比。研究发现,CPI气凝胶织物的隔热性能几乎与羽绒相同,而厚度仅为羽绒服的1/8,表现出超薄、隔热的特性。


      该工作为高性能和多功能气凝胶纤维的规模化和低成本制造提供了可能性,为气凝胶织物在个人热管理等方面的潜在应用奠定了理论和实验基础,相关成果以“Fast and scalable production of crosslinked polyimide aerogel fibers for ultrathin thermoregulating clothes”为题发表在“Nature Communications”上。

(来源:高分子科学前沿)

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