【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於被認為是下一代絕熱纖維而受到越來越多的關注。然而，由於傳統的溼法紡絲方法在氣溶膠的靜態溶膠-凝膠轉變與動態的溼法紡絲工藝之間存在明顯的衝突，因此透過傳統的溼紡方法制造任意的氣凝膠纖維仍然是一個巨大的挑戰。最近，中國科學院蘇州奈米技術與奈米仿生研究所張學同研究員團隊開發了一種溶膠-凝膠密閉過渡（SGCT）策略，用於製造各種中孔氣凝膠纖維，其中首先透過表面張力將氣凝膠前體溶液驅動到毛細管中，然後在狹窄的空間中輕鬆形成凝膠纖維經過靜態溶膠-凝膠工藝，最後透過超臨界CO2乾燥工藝獲得了中孔氣凝膠纖維。
相關論文以題為Polyimide Aerogel Fibers with Superior Flame Resistance, Strength, Hydrophobicity, and Flexibility Made via a Universal Sol–Gel Confined Transition Strategy發表在《ACS Nano》上。通常情況下，透過SGCT方法制備的聚醯亞胺（PI）氣凝膠纖維具有較大的比表面積（最大364 m2/g），出色的機械效能（彈性模量為123 MPa），優異的疏水性（接觸時）。角度為153°）和出色的柔韌性（曲率半徑為200μm）。因此，即使在惡劣的環境下，由PI氣凝膠纖維製成的氣凝膠機織織物在寬溫度範圍內也具有優異的絕熱效能。此外，已經成功地製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，這不僅為開發不同種類的氣凝膠纖維提供了一種途徑。元件，但在促進纖維領域升級方面也起著不可替代的作用。
【主圖見析】
示意圖1.（a）製備聚醯亞胺氣凝膠纖維的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氣凝膠纖維的數碼照片。（b）單個PI氣凝膠纖維打結的光學顯微鏡照片。（c，d）以不同放大率編織到織物中的聚醯亞胺氣凝膠纖維的數碼照片。（e–h）PI-300氣凝膠纖維的表面和橫截面形態。
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力-應變曲線。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於商業棉纖維。
圖3.（a）處於100和250°C溫度的熱臺上的單個氣凝膠纖維的紅外影象。從紅外影象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碼照片和紅外照片。（d）用於在高溫下測試PI氣凝膠織物和棉紡織品的隔熱效能的實驗裝置的示意圖。（e）在150°C的穩定溫度下，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定溫度（150和205°C）下的溫度-時間曲線。（g）用於在低溫下測試PI氣凝膠織物和棉紡織品的隔熱效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.透過SGCT策略構造的各種氣凝膠纖維：（a）瓊脂糖，（b）芳族聚醯胺奈米纖維，（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）芳族聚醯胺奈米纖維/羧甲基纖維素。
【總結】
作者已經透過SGCT方法成功地製造了具有典型中孔結構的PI氣凝膠纖維。所得的PI氣凝膠纖維表現出較高的機械效能（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織物在較低的溫度範圍內（−165–250°C）具有較低的熱導率（0.025–0.032 W m-1 K-1）和出色的隔熱性。結果表明，PI氣凝膠纖維在惡劣的環境中可能是極好的絕熱材料，可應用於防寒，耐火，日常隔熱等領域。此外，透過該策略成功製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），而氣凝膠纖維的效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製造各種氣凝膠纖維的策略。總之，具有如此優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有機和無機氣凝膠纖維的方法，該方法將在許多應用領域中使用，併為氣凝膠科學帶來巨大的進步。
參考文獻：doi.org/10.1021/acsnano.0c09391