第一作者：王賽 博士
通訊作者：張世超 教授；丁彬 教授
文章DOI:10.1002/adma.202313444（點選文末「閱讀原文」直達連結）
——————研究背景——————
隔熱服對於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效能有限，合成纖維雖效能有所提升，但仍受限於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，傳統氣凝膠機械效能差。 奈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、機械效能弱、工藝復雜等缺點。
本研究展示了一種 基於多射流靜電紡絲技術制造聚酰亞胺卷曲奈米纖維氣凝膠的方法。該方法利用帶電流體與水的交互作用，直接形成高孔隙率的氣凝膠結構。 所得PI奈米纖維氣凝膠具有超輕、耐高溫和低溫、機械效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、 透過在靜電紡絲過程中構建3D互鎖卷曲奈米纖維網路，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 。此方法透過控制溶液/水分子的交互作用和調節流體電荷密度， 首次 制備了直徑為≈750 nm、卷曲率為28.5%的PI卷曲奈米氣凝膠纖維。
2、PI氣凝膠具有 超輕效能 （密度為2.4 mg cm−3）、極端溫度耐受性 （在−196至300 °C範圍內保持機械強度）和超低導熱效能 （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奈米纖維氣凝膠 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、能源和工程領域套用的有前途候選材料。其高效能隔熱功能將為這些領域提供大量機會。
——————研究內容——————
1、PI奈米纖維氣凝膠的設計。
圖 1（a） PI卷曲奈米纖維氣凝膠合成圖示。（b）葉子上氣凝膠的光學影像。（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）阻燃效能。（h） 氣凝膠在寒冷環境和高溫環境下的隔熱套用。
基於傳熱機理，文章設計了熱絕緣PI卷曲奈米纖維氣凝膠，透過最佳化孔徑和孔隙率來調控熱量的傳導、對流和放射線。同時，透過構建彈性三維奈米纖維網路，提升氣凝膠的力學效能。
圖1a： 采用多射流彈射模式，直接將PI卷曲奈米纖維組裝成互鎖交聯網路 ，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互鎖卷曲奈米纖維網路構成，透過 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效能。
圖1f-g： 制備的PI卷曲奈米纖維氣凝膠 可輕松進行壓縮、拉伸和彎曲操作 ，並具有出色的阻燃性和自熄性 。
圖1h： 該氣凝膠還展現出 卓越的隔熱效能 ：極端溫度下，其表面溫度顯著低於其他材料，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卷曲奈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卷曲奈米纖維氣凝膠的構建。
圖2奈米纖維的SEM影像，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奈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卷曲奈米纖維的卷曲率和平均直徑。（f）卷曲奈米纖維的體積密度和孔隙率。（g）互鎖卷曲奈米纖維網路的形成過程圖示。（h）多個射流的光學影像和奈米纖維氣凝膠SEM影像。（i）不同電荷密度的溶液射流制備的奈米纖維氣凝膠的孔徑分布。
PI卷曲奈米纖維氣凝膠的合成得益於卷曲奈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前驅體溶液與水的交互作用可控制帶電射流的相位反轉， 客製奈米纖維結構 。不同濃度的疏水劑可引發直奈米纖維、卷曲奈米纖維和奈米纖維束的產生。
圖2a-b： 隨著疏水劑濃度的增加，奈米纖維由直變卷曲，形成3D結構。
圖2c： 形成機制 如圖所示，與pO分子和溶液射流的交互作用有關 。
圖2d-f： 隨疏水劑濃度增加，奈米纖維卷曲率和直徑均上升。卷曲奈米纖維有助於構建體積密度更低、孔隙率更高的3D結構。
圖2g-i： 透過 調節電荷密度，實作多射流噴射模式 ，形成穩定的卷曲奈米纖維網路，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。
圖3 （a） PI氣凝膠在冷凍前後的屈曲σ。（b） PI氣凝膠凍結後的原位彎曲。（c） 暴露於液氮的PI氣凝膠的壓縮和釋放過程。（d） PI氣凝膠在冷凍20 min後1000次迴圈中的剩余壓縮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後的原位壓縮。（g） PI氣凝膠在300℃下迴圈1000次後的剩余壓縮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卷曲奈米纖維氣凝膠因其組分的固有耐受性，展現出卓越的極端溫度適應力。 在-196℃液氮中處理20分鐘後 ，其機械效能僅略有下降，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℃範圍內結構穩定，400°C時體積損失僅10%。在 300℃處理後仍能保持良好的壓縮恢復能力 。
圖3g-h： 在300℃下的迴圈疲勞試驗表現出穩定的效能。該氣凝膠的黏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℃，極限氧指數值高於棉花和PET。在燃燒測試中，PI氣凝膠展現出自熄性。
4、PI氣凝膠的保溫效能。
圖4（a）不同纖維材料熱導率與體積密度的關系。（b）本研究中傳統靜電紡絲超細纖維元件和 PI 氣凝膠的熱傳遞行為。（c）多孔氣凝膠的熱傳遞機理圖示。（d）PI氣凝膠在壓縮1000次迴圈後（上圖）和不同溫度環境下（下圖）的導熱系數。（e）PI氣凝膠和冷板分別註入液氮的溫度-時間曲線。（f）PI氣凝膠表面隨時間變化的溫度分布。
圖4a： 所制備的PI卷曲奈米纖維氣凝膠因其小孔徑、高孔隙率和出色的極端溫度耐受性，展現出高效的保溫效能。
圖4b-c： 熱導率比靜止空氣還低 ，達到23 mW m−1 K−1，這在同類材料中極為罕見。透過3D模型對比，發現PI卷曲奈米纖維氣凝膠在抑制傳熱方面表現卓越 。其互鎖的卷曲奈米纖維網路構建了高孔隙率、小孔徑的三維多孔結構，有效擾動了熱傳遞路徑，從而抑制了瓦斯的熱傳導。
圖4d： 經過1000次壓縮後，其隔熱效能依然穩定，這得益於其堅固的奈米纖維網路。在-40至300℃的寬溫度範圍內，該氣凝膠都保持了超低的導熱系數。
圖4e： 實驗證明，PI氣凝膠能有效隔離極低溫度，保護人體溫暖。在液氮冷卻的冷台上，PI氣凝膠的表面溫度能穩定在8.4℃，而用其覆蓋的人手面對液氮60s後，覆蓋區域溫度仍高於氣凝膠表面溫度。
圖4f： PI氣凝膠還展現出顯著的熱保護效能。在250℃的熱台上加熱5min後，其表面溫度僅為42℃，形貌保持穩定，而PET和棉花等材料在此條件下已失去阻止熱傳遞的能力。
文章來源：高效能材料科學
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