以PANF構建基體制備全對芳酰胺氣凝膠

　　氣凝膠是一種低密度、高孔隙率的材料，與冷凍干燥或超臨界干燥等復雜的加工方法密切相關。現有的芳綸氣凝膠的制備方法主要采用簡單的循環凍融（FT）過程，雖有利于納米纖維之間的交聯和氣凝膠的形成，然而也面臨著這樣的問題：（1）納米纖維之間進行了多次FT交聯（2）需要在特殊溫度下進行凍結和解凍（3）后續的冷凍干燥或超臨界干燥過程不可避免（4）大規模生產及應用受限。因此，探索一種更為簡便的方法來制備芳綸氣凝膠，同時又能適合工業化生產是當前的難點。

　　為了解決這一難題，清華大學庹新林副教授與北京化工大學邱藤副研究員提出了一種改進的冷凍干燥方法，以聚合誘導的芳綸納米纖維（PANF）為構建基體，用于高效制備全對芳酰胺氣凝膠。此方法制備的低密度 PANF氣凝膠具有較高的抗壓縮強度和較低的熱導率，可與冷凍干燥或超臨界干燥制備法相媲美。而且，利用PANF優異的熱穩定性，可以在高溫(如150℃)下進行水凝膠的解凍和干燥。此外，該工藝縮短了制備周期，可實現工業化大規模生產。文章報道了PANF氣凝膠的制備及其在保溫或減震材料中的實際應用。該工作以題為“Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing?Drying Method”發表于《ACS Nano》。

　　【PANF氣凝膠的制備】

　　如圖1所示，在制備過程中，PANF水凝膠首先在-18°C冷凍，然后在20-150°C干燥以形成PANF氣凝膠。在冷凍過程中形成的 PANF骨架對于 PANF 氣凝膠的形成至關重要。此外，冰晶的占位效應也有助于氣凝膠宏觀孔隙結構的形成。

　　圖 1 PANF氣凝膠的制備過程

　　【不同PANF氣凝膠的制備及表征】

　　為了體現該方法的靈活性，作者考察了PANF%和干燥溫度兩個工藝參數，制備了不同密度的PANF氣凝膠。如圖2a所示，該方法不僅可以成功制備大尺寸或形狀可控的氣凝膠，而且可以通過改變水凝膠中PANF濃度和干燥溫度得到不同密度（20-185 mg/cm3）的氣凝膠。研究顯示，在150°C 和PANF濃度為0.7%時，可達到密度最低，約為20 ± 2 mg/cm3。此外，干燥過程中的收縮現象可以巧妙地用于制備PANF氣凝膠涂層物。

　　圖 2 不同氣凝膠的宏觀形態及SEM 圖像

　　【性能測試】

　　接下來，作者研究了氣凝膠的抗壓強度和熱導率與其密度的相關性，如圖3所示。可以看出氣凝膠的抗壓強度隨著密度的增加而增加。在制備的氣凝膠中，PA-20 和 PA-40 是兩種典型的低密度樣品，具有較低的熱導率（0.0300-0.0400 W/（m·K））和較高的抗壓強度。此外，PANF氣凝膠具有優良的熱穩定性，與Kevlar 29相似，在氮氣中500°C之前幾乎不發生分解。

　　圖 3 不同 PANF 氣凝膠樣品的力學性能和熱導率性能測試

　　【氣凝膠用于隔熱和減震中】

　　基于PANF氣凝膠具有高抗壓強度、低導熱率和良好的熱穩定性等優異性能，作者列舉了其在絕熱和減震應用的一些簡單例子，如圖4所示。研究發現，當10mm的PANF氣凝膠作為隔熱屏障被放置在PS管和紅外燈泡之間時, 即使加熱45minPS管都沒有發生變形。且當保溫層厚度為4mm的情況下，紅外照射30min后，金屬管內的水溫僅由室溫上升到48.6℃。在減震測試中，發現當跌落高度為1 m時，PANF氣凝膠可保護重達自身重量45.5倍的脆性石英管。以上結果證實了PANF氣凝膠可用于減震和保護易碎物品。

　　圖 4 PANF 氣凝膠在隔熱和減震中的應用

　　【小結】

　　作者以PANF水凝膠材料為基礎，通過改性凍干法成功制備了密度可調、性能優異的PANF氣凝膠。此外，利用該方法的簡單性和制備過程中PANF氣凝膠的收縮可控性，可成功制備大尺寸或多種形狀的PANF氣凝膠以及PANF氣凝膠涂層物。在實際應用中，PANF 氣凝膠也可用于隔熱或減震應用。這一研究拓寬了其在宏觀規模化的生產和應用。