來源 | Nature Communications

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背景介紹

近年來，具有個(gè)人熱管理功能的智能溫控紡織品引起了人們的極大關(guān)注，它可以在各種環(huán)境溫度下為穿著者提供先進(jìn)的熱舒適功能，從而最大限度地減少能源消耗。如航空航天和消防現(xiàn)場(chǎng)，需要輕質(zhì)超薄的面料來保證穿著者的工作效率和安全。新興的氣凝膠纖維/織物繼承了氣凝膠的三維多孔結(jié)構(gòu)和纖維的柔韌性，以其輕質(zhì)、高孔隙率和多集成功能在智能溫控紡織品中顯示出巨大的潛力。高孔隙結(jié)構(gòu)可以使氣凝膠纖維具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(23-50 mW/mK)，極大地抑制了熱損失。因此，氣凝膠纖維及其復(fù)合織物在個(gè)人熱管理方面顯示出巨大的潛力。

目前，已經(jīng)開發(fā)了幾種具有不同功能的氣凝膠纖維，與其他有機(jī)或無機(jī)氣凝膠纖維相比，PI氣凝膠纖維具有良好的耐溫性和優(yōu)異的力學(xué)性能，在大范圍溫度下的熱管理紡織品中顯示出相當(dāng)大的潛力。然而，目前所有策略都需要在紡絲后進(jìn)行后處理，如超臨界干燥或冷凍干燥，以保持氣凝膠纖維的高度多孔結(jié)構(gòu)，這是費(fèi)時(shí)且成本高的。通過常壓干燥快速制備PI氣凝膠纖維仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

通常，氣凝膠纖維是通過噴絲管擠出、溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和超臨界/冷凍干燥工藝制備的。溶膠-凝膠過程對(duì)于形成典型的三維多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。制備連續(xù)氣凝膠纖維存在溶膠-凝膠過渡和干燥兩個(gè)主要障礙。高性能氣凝膠纖維的高通量制備面臨以下挑戰(zhàn)：(1)實(shí)現(xiàn)紡絲溶液的快速動(dòng)態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變；(2)構(gòu)建高強(qiáng)度凝膠骨架并有效避免骨架在干燥過程中坍塌。

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成果掠影

近日，江南大學(xué)劉天西和樊瑋團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種快速和可擴(kuò)展的交聯(lián)聚酰亞胺(CPI)氣凝膠纖維的制造策略。該方法是通過濕紡絲和紫外線增強(qiáng)動(dòng)態(tài)凝膠策略進(jìn)行環(huán)境壓力干燥。該策略使光敏聚酰亞胺的溶膠-凝膠快速轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生強(qiáng)交聯(lián)凝膠骨架，有效地保持纖維形狀和多孔納米結(jié)構(gòu)。該方法可在7 h內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)出長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百米的高比模量(390.9 kN m/kg)的CPI氣凝膠纖維，比以往的方法(>48 h)效率更高。此外，CPI氣凝膠織物的隔熱性能與羽絨幾乎相同，但厚度約為羽絨的1/8。此外，在概念驗(yàn)證研究中，CPI氣凝膠織物可以與形狀記憶材料集成，構(gòu)建智能熱管理織物，用于個(gè)人熱管理。我們的研究為開發(fā)氣凝膠纖維和紡織品提供了一種可擴(kuò)展的生產(chǎn)方法，以滿足先進(jìn)的應(yīng)用場(chǎng)景。研究成果以“Fast and scalable production of crosslinked polyimide aerogel fibers for ultrathin thermoregulating clothes”為題發(fā)表于《Nature Communications》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1.CPI氣凝膠纖維的制備及其形態(tài)。

圖2. 紫外光增強(qiáng)動(dòng)態(tài)凝膠策略下PPI的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程。

圖3.CPI凝膠纖維的凝膠化和骨架強(qiáng)度。

圖4. CPI纖維/織物的形態(tài)和物理性能。

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