东华大学张清华教授课题组在柔性聚酰亚胺气凝胶纤维及功能化方向取得新进展

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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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