气凝胶是一种低密度、高孔隙率的材料，与冷冻干燥或超临界干燥等复杂的加工方法密切相关。现有的芳纶气凝胶的制备方法主要采用简单的循环冻融（FT）过程，虽有利于纳米纤维之间的交联和气凝胶的形成，然而也面临着这样的问题：（1）纳米纤维之间进行了多次FT交联（2）需要在特殊温度下进行冻结和解冻（3）后续的冷冻干燥或超临界干燥过程不可避免（4）大规模生产及应用受限。因此，探索一种更为简便的方法来制备芳纶气凝胶，同时又能适合工业化生产是当前的难点。
为了解决这一难题，清华大学庹新林副教授与北京化工大学邱藤副研究员提出了一种改进的冷冻干燥方法，以聚合诱导的芳纶纳米纤维（PANF）为构建基体，用于高效制备全对芳酰胺气凝胶。此方法制备的低密度 PANF气凝胶具有较高的抗压缩强度和较低的热导率，可与冷冻干燥或超临界干燥制备法相媲美。而且，利用PANF优异的热稳定性，可以在高温(如150℃)下进行水凝胶的解冻和干燥。此外，该工艺缩短了制备周期，可实现工业化大规模生产。文章报道了PANF气凝胶的制备及其在保温或减震材料中的实际应用。该工作以题为“Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing−Drying Method”发表于《ACS Nano》。
【PANF气凝胶的制备】
如图1所示，在制备过程中，PANF水凝胶首先在-18°C冷冻，然后在20-150°C干燥以形成PANF气凝胶。在冷冻过程中形成的 PANF骨架对于 PANF 气凝胶的形成至关重要。此外，冰晶的占位效应也有助于气凝胶宏观孔隙结构的形成。
图 1 PANF气凝胶的制备过程
【不同PANF气凝胶的制备及表征】
为了体现该方法的灵活性，作者考察了PANF%和干燥温度两个工艺参数，制备了不同密度的PANF气凝胶。如图2a所示，该方法不仅可以成功制备大尺寸或形状可控的气凝胶，而且可以通过改变水凝胶中PANF浓度和干燥温度得到不同密度（20-185 mg/cm3）的气凝胶。研究显示，在150°C 和PANF浓度为0.7%时，可达到密度最低，约为20 ± 2 mg/cm3。此外，干燥过程中的收缩现象可以巧妙地用于制备PANF气凝胶涂层物。
图 2 不同气凝胶的宏观形态及SEM 图像
【性能测试】
接下来，作者研究了气凝胶的抗压强度和热导率与其密度的相关性，如图3所示。可以看出气凝胶的抗压强度随着密度的增加而增加。在制备的气凝胶中，PA-20 和 PA-40 是两种典型的低密度样品，具有较低的热导率（0.0300-0.0400 W/（m·K））和较高的抗压强度。此外，PANF气凝胶具有优良的热稳定性，与Kevlar 29相似，在氮气中500°C之前几乎不发生分解。
图 3 不同 PANF 气凝胶样品的力学性能和热导率性能测试
【气凝胶用于隔热和减震中】
基于PANF气凝胶具有高抗压强度、低导热率和良好的热稳定性等优异性能，作者列举了其在绝热和减震应用的一些简单例子，如图4所示。研究发现，当10mm的PANF气凝胶作为隔热屏障被放置在PS管和红外灯泡之间时, 即使加热45minPS管都没有发生变形。且当保温层厚度为4mm的情况下，红外照射30min后，金属管内的水温仅由室温上升到48.6℃。在减震测试中，发现当跌落高度为1 m时，PANF气凝胶可保护重达自身重量45.5倍的脆性石英管。以上结果证实了PANF气凝胶可用于减震和保护易碎物品。
图 4 PANF 气凝胶在隔热和减震中的应用
【小结】
作者以PANF水凝胶材料为基础，通过改性冻干法成功制备了密度可调、性能优异的PANF气凝胶。此外，利用该方法的简单性和制备过程中PANF气凝胶的收缩可控性，可成功制备大尺寸或多种形状的PANF气凝胶以及PANF气凝胶涂层物。在实际应用中，PANF 气凝胶也可用于隔热或减震应用。这一研究拓宽了其在宏观规模化的生产和应用。
首页
