【CEJ】哈尔滨工业大学【基于聚酰亚胺涂覆芳纶纳米纤维的策略制备具有多功能特性的超轻有机气凝胶】（未找到页面-undefined）

研究背景与目的

高性能气凝胶在隔热、药物递送和机械缓冲等领域具有广泛应用前景。
然而，已报道的气凝胶大多存在制备过程复杂和功能单一的问题。
本研究旨在通过一种简便的策略解决这些问题。

研究方法与策略

采用聚酰亚胺涂层于芳纶纳米纤维（PCoA）的策略制备了一系列芳纶纳米纤维（ANF）/聚酰亚胺（PI）多功能复合有机气凝胶。
利用PI涂覆在ANF表面，并在ANF三维网络骨架内构建大量中孔，使ANF/PI复合气凝胶表现出卓越的多功能性。

复合气凝胶的性能

热学性能：PI含量为20 wt%的复合气凝胶热导率为23.20 mW/mK，低于空气，表现出优异的隔热性能。
力学性能：在密度仅为14.86 mg/cm³的情况下，复合气凝胶的比杨氏模量达到32.57 MPa/(g/cm³)，为已报道有机气凝胶中的最高值。
其他性能：还具有优异的声学隔离、热稳定性、阻燃性和疏水性。

应用前景

复合气凝胶可作为超薄隔热膜（厚度仅100 μm），为微电子器件提供有效热保护，并在极端条件下保持优异性能。
在热管理、环境治理、催化和能源存储等领域具有巨大应用潜力。

策略的优势与创新

PCoA策略结合了PI的功能优势和ANF三维网络骨架的结构特征，实现了多功能性的集成。
氢键和π-π相互作用确保了PI与ANF之间的高相容性，使PI能够均匀涂覆在ANF骨架表面。
PI分子间的连接在ANF/PI复合气凝胶内构建了大量中孔结构，有效提高了其隔热和隔声性能。
ANF与PI的相互作用产生了协同效应，使复合气凝胶在保持极低密度的同时，具有出色的力学性能。

结论与展望

PCoA策略实现了多种优异性能的集成，促进了气凝胶的大规模生产和多样化应用。
该策略对未来高性能多功能气凝胶的研究、设计、制造和应用具有重要指导意义。
未来可以引入不同类型的PI到ANF基体中，以实现针对特定应用的定制化气凝胶。
相信PCoA策略能够有效解决现有气凝胶材料的局限性，包括制备复杂、功能单一和耐恶劣环境能力有限等问题。

综上所述，本研究通过PCoA策略成功制备了多功能ANF/PI复合有机气凝胶，并展示了其在多个领域的广泛应用前景。

2. 材料和方法
2.1 材料
Kevlar纱线：从Thread Exchange, Inc.购买了类型为K69、右捻的Kevlar纱线。
可溶性PI粉末：从东莞/广东展阳高分子材料有限公司购买了可溶性聚酰亚胺（PI）粉末。
化学试剂：二甲基亚砜（DMSO）、95%的乙酸钾（KOH）、叔丁醇和去离子水（DI）均购自阿拉丁试剂有限公司。所有试剂均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。
2.2 ANF分散液的制备
将大量的Kevlar 69纱线和KOH按Kevlar与KOH的质量比为1:2的比例加入到DMSO中。
在室温下剧烈搅拌一周，得到浓度为10 mg/mL的暗红色ANF/DMSO分散液。
2.3 PI分散液的制备
将PI粉末通过超声分散在DMSO中30分钟，得到浓度为200 mg/mL的PI/DMSO分散液。
2.4 ANF/PI复合有机气凝胶的制备
将一定量的200 mg/mL PI/DMSO分散液加入到10 mg/mL ANF/DMSO分散液中，并在室温下剧烈搅拌。
将混合分散液注入定制的模具中，然后浸泡在去离子水中一定时间，形成具有3D网络结构的水凝胶。
通过将水凝胶内部的水分置换为叔丁醇，然后进行冷冻干燥，得到最终的ANF/PI复合有机气凝胶。这些气凝胶的PI质量分数分别为10 wt%、15 wt%、20 wt%、25 wt%和30 wt%，并分别标记为ANF/PI-10、ANF/PI-15、ANF/PI-20、ANF/PI-25和ANF/PI-30。
图解

图形摘要

ANF/PI复合有机气凝胶制备过程的示意图

气凝胶样品的横截面SEM图像

(a–f) 分别展示了PI含量为0 wt%、10 wt%、15 wt%、20 wt%、25 wt%和30 wt%的气凝胶样品的横截面SEM图像。

在这些图像中，可以观察到随着PI的加入，气凝胶的内部结构发生了变化。
特别地，加入PI后形成的介孔结构在图中用蓝色椭圆标记。

气凝胶样品的性质

(g) 展示了不同PI含量的气凝胶样品的氮气吸附-脱附等温线。

这些等温线提供了关于气凝胶孔隙结构和表面性质的信息。

(h) 展示了不同PI含量的气凝胶样品的孔径分布。

孔径分布图显示了气凝胶中不同大小孔隙的数量或比例。

(i) 展示了不同PI含量的气凝胶样品的BET表面积。

BET表面积是衡量气凝胶表面大小的一个重要参数，对气凝胶的吸附、催化等性能有重要影响。

1. 热导率

(a) 描述了不同PI含量的ANF/PI复合有机气凝胶的热导率。通过对比不同PI含量的气凝胶样品，可以观察到热导率随PI含量的变化趋势。

2. 热传递机制

(b1) 展示了普通多孔材料的热传递机制图。这种材料通常具有较高的热导率，因为其内部孔隙结构可能不够优化，导致热量容易通过固体骨架传递。

(b2) 展示了ANF/PI复合有机气凝胶的热传递机制图。由于气凝胶具有独特的孔隙结构和低热导率的组成材料，其热传递效率较低，因此表现出优异的隔热性能。

3. 红外热像图和温度-时间曲线

(d) 展示了与红外热像图对应的温度-时间曲线。这些曲线提供了关于气凝胶在不同时间点上的温度变化信息，有助于进一步了解其隔热性能。

4. 防蒸发性能

(e) 描述了ANF/PI-20气凝胶防止水蒸发的能力。这表明该气凝胶具有优异的保水性能，可以应用于需要防止水分蒸发的场合。

5. 模拟单个单元和热传导过程

(f1–f6) 分别展示了PI含量为0 wt%、10 wt%、15 wt%、20 wt%、25 wt%和30 wt%的气凝胶样品的模拟单个单元和热传导过程。

(f1)–(f4) 显示，随着PI含量的增加，模拟的热导率逐渐降低。这可能是因为PI的加入优化了气凝胶的孔隙结构，减少了热量通过固体骨架的传递。
(f4)–(f6) 显示，当PI含量增加到一定程度时，模拟的热导率开始逐渐增加。这可能是因为过多的PI填充了孔隙，导致热量更容易通过固体骨架传递。

1. 压缩应力-应变曲线

(a) 展示了不同PI含量的ANF/PI复合有机气凝胶的压缩应力-应变曲线。这些曲线反映了气凝胶在受到压缩时的力学响应，包括其抗压强度和弹性恢复能力。通过对比不同PI含量的曲线，可以观察到PI含量对气凝胶力学性能的影响。

2. 承重能力

(b) 提供了一张ANF/PI-20气凝胶承受104倍自身重量的数字照片。这张照片直观地展示了ANF/PI-20气凝胶的优异承重能力，证明了其在承载重物方面的潜在应用。

3. 形状可塑性

4. 轻质特性

(d) 提供了一张ANF/PI-20气凝胶轻松站在一朵蒲公英上的数字照片。这张照片生动地展示了ANF/PI-20气凝胶的轻质特性，表明其密度极低，可以轻松承载在微小的支撑物上。

5. 与先前研究的对比

(e) 对比了ANF/PI-20的特定杨氏模量与先前研究中报道的有机气凝胶的特定杨氏模量。这一对比有助于评估ANF/PI-20气凝胶在力学性能方面的优劣，以及其在有机气凝胶领域中的位置。通过对比，可以观察到ANF/PI-20气凝胶在保持轻质特性的同时，还具有相对较高的力学强度，这为其在实际应用中的表现提供了有力的支持。

1. 热重分析（TGA）

(a) 展示了不同PI含量的ANF/PI复合有机气凝胶的TGA曲线。这些曲线反映了气凝胶在升温过程中的质量损失情况，从而可以推断出材料的热稳定性和成分。通过对比不同PI含量的曲线，可以观察到PI的加入对气凝胶热稳定性的影响。

2. 火焰测试

(b) 提供了一张纯ANF气凝胶进行火焰测试的数字照片。这张照片展示了纯ANF气凝胶在火焰下的燃烧情况，从而可以评估其可燃性和燃烧性能。

3. 热释放速率（HRR）

(d) 展示了纯ANF气凝胶和ANF/PI-20的热释放速率（HRR）曲线，这些曲线是通过微型燃烧量热仪（MCC）获得的。HRR曲线反映了材料在燃烧过程中释放热量的速率，是评估材料火灾危险性的重要指标。通过对比这两条曲线，可以观察到PI的加入对气凝胶HRR的影响。

4. 热膨胀

(e) 展示了纯ANF气凝胶和ANF/PI-20的热膨胀曲线。这些曲线反映了材料在升温过程中的体积变化，从而可以评估材料的热膨胀性能和尺寸稳定性。通过对比这两条曲线，可以观察到PI的加入对气凝胶热膨胀性能的影响。

5. 低温压缩性能

(f) 展示了ANF/PI-20在液氮中浸泡5分钟后的压缩应力-应变曲线。插图显示了ANF/PI-20在液氮中浸泡5分钟后的状态。这一测试旨在评估气凝胶在低温环境下的力学性能，特别是其抗压强度和弹性恢复能力。通过这一测试，可以观察到ANF/PI-20在低温下仍能保持较好的力学性能。

1. 水接触角（WCA）

(a) 展示了纯ANF气凝胶的水接触角，反映了其表面的亲水性或疏水性。

(b) 展示了纯PI气凝胶的水接触角，同样用于评估其表面的亲水性或疏水性。

2. 疏水性能

(d) 描述了使用超亲水纸从ANF/PI-20表面移除水滴的过程，进一步证明了ANF/PI-20的疏水性能。

3. 油水分离能力

(e) 展示了不同颜色的水溶液沉积在ANF/PI-20表面上的情况，表明其表面不会被水溶液润湿，有利于油水分离。

(f) 描述了ANF/PI-20在水面上漂浮3天的情况，进一步证明了其疏水性和在水中的稳定性。

(g) 和(h) 分别展示了使用ANF/PI-20从水中移除正己烷和二氯甲烷的过程，证明了其油水分离的实际应用能力。

4. 吸油能力

(i) 列出了ANF/PI-20对不同类型和有机溶剂的吸收容量，评估了其吸油性能的优劣。

5. 饱和吸收容量（SAC）

(j) 展示了纯ANF气凝胶和ANF/PI-20的饱和吸收容量曲线，通过对比可以评估PI的加入对气凝胶吸油能力的影响。

6. 隔音性能

(k) 展示了ANF/PI-20的隔音体积曲线，评估了其作为隔音材料的性能。

7. 综合性能比较

(l) 使用雷达图比较了ANF/PI-20与先前研究中报道的有机气凝胶的综合性能。这一比较涵盖了多个性能指标，如疏水性、吸油性、隔音性等，有助于全面评估ANF/PI-20在有机气凝胶领域中的位置。

1. 热绝缘测试

(a) 提供了ANF/PI-20和Gore隔热膜的热绝缘测试的数字照片和红外热像图。这些图片展示了两种材料在热绝缘测试中的表现，通过对比可以评估ANF/PI-20的隔热性能。

2. 力学性能

(b) 展示了纯ANF气凝胶膜和ANF/PI-20膜的拉伸应力-应变曲线。这些曲线反映了两种材料的拉伸强度和韧性，通过对比可以评估PI的加入对ANF气凝胶膜力学性能的影响。

3. 形状可塑性

4. 弯曲循环测试

(d) 展示了ANF/PI-20膜在弯曲过程中的正面视图以及经过0、250、500、750和1000次弯曲循环后的形态。这些图片用于评估ANF/PI-20膜的抗弯曲疲劳性能。

5. 耐热耐寒性测试

(e) 描述了ANF/PI-20和纯ANF气凝胶膜在耐热和耐寒测试中的表现。这些测试用于评估两种材料在高温和低温环境下的稳定性和性能。

6. 不同温度处理后的强度与韧性

(f) 对比了在不同温度下处理1小时后的ANF/PI-20膜的强度和韧性。这些结果有助于了解ANF/PI-20膜在不同温度条件下的力学性能变化。

7. 介电性能

(g) 展示了ANF/PI-20膜在室温下不同频率下的介电常数和损耗。这些参数对于评估ANF/PI-20膜在电子和电气应用中的潜在用途非常重要。

原文链接：https:///10.1016/j.cej.2024.1559397

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