第一作者：王赛 博士
通讯作者：张世超 教授；丁彬 教授
文章DOI:10.1002/adma.202313444（点击文末「阅读原文」直达链接）
——————研究背景——————
隔热服对于极端温度下保持人体热舒适性至关重要。传统天然纤维材料隔热性能有限，合成纤维虽性能有所提升，但仍受限于较大直径和简单堆叠结构，极端温度耐受性不足。气凝胶因多孔、小孔径和高孔隙率特点被视为非常有前途的隔热材料，传统气凝胶机械性能差。 纳米纤维气凝胶作为新兴材料，具有多孔3D结构，可成为极端温度下个人防护的理想隔热材料 。然而，现有制造方法存在结构不可预测、机械性能弱、工艺复杂等缺点。
本研究展示了一种 基于多射流静电纺丝技术制造聚酰亚胺卷曲纳米纤维气凝胶的方法。该方法利用带电流体与水的相互作用，直接形成高孔隙率的气凝胶结构。 所得PI纳米纤维气凝胶具有超轻、耐高温和低温、机械性能强以及低热导率等特点，成为极端温度下保持人体热舒适度的理想材料。
——————研究亮点——————
1、 通过在静电纺丝过程中构建3D互锁卷曲纳米纤维网络，直接合成了一种超轻、机械坚固且热绝缘的聚酰亚胺（PI）气凝胶 。此方法通过控制溶液/水分子的相互作用和调节流体电荷密度， 首次 制备了直径为≈750 nm、卷曲率为28.5%的PI卷曲纳米气凝胶纤维。
2、PI气凝胶具有 超轻性能 （密度为2.4 mg cm−3）、极端温度耐受性 （在−196至300 °C范围内保持机械强度）和超低导热性能 （22.4 mW m−1K−1），为在极端温度下保持人体热舒适性提供了理想材料。
3、PI纳米纤维气凝胶 具有极端的温度耐受性和显著的阻燃性 ，使其成为个人防护、能源和工程领域应用的有前途候选材料。其高性能隔热功能将为这些领域提供大量机会。
——————研究内容——————
1、PI纳米纤维气凝胶的设计。
图 1（a） PI卷曲纳米纤维气凝胶合成图示。（b）叶子上气凝胶的光学图像。（c-e） 不同放大倍率下PI气凝胶的微观结构。照片展示了PI 气凝胶的（f） 机械和 （g）阻燃性能。（h） 气凝胶在寒冷环境和高温环境下的隔热应用。
基于传热机理，文章设计了热绝缘PI卷曲纳米纤维气凝胶，通过优化孔径和孔隙率来调控热量的传导、对流和辐射。同时，通过构建弹性三维纳米纤维网络，提升气凝胶的力学性能。
图1a： 采用多射流弹射模式，直接将PI卷曲纳米纤维组装成互锁交联网络 ，形成了坚固的多孔气凝胶结构。
图1b： 气凝胶具有 99.8%的高孔隙率 ，因此具有超轻特性且表现出显著的疏水。
图1c-e： 其独特的多孔气凝胶结构由3D互锁卷曲纳米纤维网络构成，通过 亚胺化反应构建的交联点显著提升了结构的稳定性和力学性能。
图1f-g： 制备的PI卷曲纳米纤维气凝胶 可轻松进行压缩、拉伸和弯曲操作 ，并具有出色的阻燃性和自熄性 。
图1h： 该气凝胶还展现出 卓越的隔热性能 ：极端温度下，其表面温度显著低于其他材料，如羽绒，凸显了减少热量损失的能力。极冷环境下，它仍能保持较高的表面温度，同时在高温下也表现出显著的冷却效果。这些特性使PI卷曲纳米纤维气凝胶成为有前途的个人防护材料，可在极端条件下保持人体热舒适性。
2、PI卷曲纳米纤维气凝胶的构建。
图2纳米纤维的SEM图像，疏水剂浓度为（a）0 wt%和（b）10 wt%。（c）分别由亲水射流和疏水射流构建纳米纤维及其组装体的图示。（d-e）由PAA溶液与不同浓度疏水剂制备的PI卷曲纳米纤维的卷曲率和平均直径。（f）卷曲纳米纤维的体积密度和孔隙率。（g）互锁卷曲纳米纤维网络的形成过程图示。（h）多个射流的光学图像和纳米纤维气凝胶SEM图像。（i）不同电荷密度的溶液射流制备的纳米纤维气凝胶的孔径分布。
PI卷曲纳米纤维气凝胶的合成得益于卷曲纳米纤维的形成及多射流静电纺丝中的纤维互锁与交联。调控PAA前驱体溶液与水的相互作用可控制带电射流的相位反转， 定制纳米纤维结构 。不同浓度的疏水剂可引发直纳米纤维、卷曲纳米纤维和纳米纤维束的产生。
图2a-b： 随着疏水剂浓度的增加，纳米纤维由直变卷曲，形成3D结构。
图2c： 形成机制 如图所示，与pO分子和溶液射流的相互作用有关 。
图2d-f： 随疏水剂浓度增加，纳米纤维卷曲率和直径均上升。卷曲纳米纤维有助于构建体积密度更低、孔隙率更高的3D结构。
图2g-i： 通过 调节电荷密度，实现多射流喷射模式 ，形成稳定的卷曲纳米纤维网络，而弱或不稳定的喷射模式会导致孔径不均匀。
3、PI气凝胶的极端温度耐受性。
图3 （a） PI气凝胶在冷冻前后的屈曲σ。（b） PI气凝胶冻结后的原位弯曲。（c） 暴露于液氮的PI气凝胶的压缩和释放过程。（d） PI气凝胶在冷冻20 min后1000次循环中的剩余压缩σ和塑性变形。（e） PI气凝胶在100℃、200℃、300℃和400 ℃下的体积损失。（f）PI气凝胶在300 ℃加热20 min后的原位压缩。（g） PI气凝胶在300℃下循环1000次后的剩余压缩σ和塑性变形。（h） PI气凝胶在300℃时的储能模量、损耗模量和阻尼比分别随频率的变化。（i） 热重（TG）曲线，（j） PI 气凝胶、PET 和棉花的 LOI 值、（k） HRR 和（l） THR。
图3a-c： PI卷曲纳米纤维气凝胶因其组分的固有耐受性，展现出卓越的极端温度适应性。 在-196℃液氮中处理20分钟后 ，其机械性能仅略有下降，且能迅速恢复原状，显示出超弹性和抗疲劳性。
图3e-f： 该气凝胶在100-300℃范围内结构稳定，400°C时体积损失仅10%。在 300℃处理后仍能保持良好的压缩恢复能力 。
图3g-h： 在300℃下的循环疲劳试验表现出稳定的性能。该气凝胶的粘弹性在高温下也几乎不变。
图3i-l： PI气凝胶还具有显著的阻燃性。其分解温度高达416.3℃，极限氧指数值高于棉花和PET。在燃烧测试中，PI气凝胶展现出自熄性。
4、PI气凝胶的保温性能。
图4（a）不同纤维材料热导率与体积密度的关系。（b）本研究中传统静电纺丝超细纤维组件和 PI 气凝胶的热传递行为。（c）多孔气凝胶的热传递机理图示。（d）PI气凝胶在压缩1000次循环后（上图）和不同温度环境下（下图）的导热系数。（e）PI气凝胶和冷板分别注入液氮的温度-时间曲线。（f）PI气凝胶表面随时间变化的温度分布。
图4a： 所制备的PI卷曲纳米纤维气凝胶因其小孔径、高孔隙率和出色的极端温度耐受性，展现出高效的保温性能。
图4b-c： 热导率比静止空气还低 ，达到23 mW m−1 K−1，这在同类材料中极为罕见。通过3D模型对比，发现PI卷曲纳米纤维气凝胶在抑制传热方面表现卓越 。其互锁的卷曲纳米纤维网络构建了高孔隙率、小孔径的三维多孔结构，有效扰动了热传递路径，从而抑制了气体的热传导。
图4d： 经过1000次压缩后，其隔热性能依然稳定，这得益于其坚固的纳米纤维网络。在-40至300℃的宽温度范围内，该气凝胶都保持了超低的导热系数。
图4e： 实验证明，PI气凝胶能有效隔离极低温度，保护人体温暖。在液氮冷却的冷台上，PI气凝胶的表面温度能稳定在8.4℃，而用其覆盖的人手面对液氮60s后，覆盖区域温度仍高于气凝胶表面温度。
图4f： PI气凝胶还展现出显著的热保护性能。在250℃的热台上加热5min后，其表面温度仅为42℃，形貌保持稳定，而PET和棉花等材料在此条件下已失去阻止热传递的能力。
文章来源：高性能材料科学
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