【文章概述】

气凝胶材料的低密度、高孔隙率和大比表面积的特点赋予气凝胶广泛的应用，如吸附、过滤、减震、保温和能源应用。芳纶纳米纤维以其高强度、高模量、优良的热稳定性等高性能而闻名，在织物和复合材料中有很好的应用前景。芳纶纳米纤维与气凝胶的结合也成为很多科学家研究的热点。传统的芳纶纳米纤维气凝胶的制备工艺需要溶剂交换和超临界萃取或冷冻干燥，这些制备工艺存在很大缺点。如气凝胶的制备过程过于冗长和繁琐，特殊的干燥方法仍然费时、耗能，需要特殊的设备。因此在追求高抗压强度、高热稳定性、低导热率等优异的综合性能的同时，为了满足成为国防、航空航天和民用领域的不断扩大的需求，我们还需要努力追求简便、灵活的制备方法。

【成果简介】

清华大学和北京化工大学团队共同开发以聚合诱导芳纶纳米纤维(PANF)为基础，提出了一种改进的冷冻干燥法制备全对芳酰胺气凝胶的方法。在-18°C条件下冷冻，然后在20-150°C下干燥，PANF水凝胶成功转化为PANF气凝胶。PANF框架和冰晶的分离效果保证了该过程中的形状稳定性。利用方法的简单性和可控性制备过程中PANF气凝胶的收缩。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待!

【图文导图】

图1 芳纶纳米纤维气凝胶制备流程图

图2 (a) PANF分散状态。

  （b-c）PANF在不同放大倍数下的TEM 图像。b和c的比例尺分别为1μm和100 nm。

(d) 制备的PANF 水凝胶 (PANF% = 3%)。

(e) 冷冻的PANF水凝胶。

(f) PANF气凝胶。

  (g) 大尺寸(220 mm×150 mm×40 mm)PANF气凝胶实物图。

  （h）不同形状的PANF气凝胶。

  (i) 涂有PANF气凝胶的不同材料。从左到右：PS管、金属管、石英管。

图3不同气凝胶的宏观形态和典型的 SEM 图像。

(a) 从不同的PANF获得的PANF气凝胶。

（b-g）图a中PANF气凝胶的SEM图像。

  （h）在不同干燥温度下获得的PANF气凝胶。

(i-j) 分别为h组中PA-87和PA-62的SEM图像。

(k) 花瓣上的低密度PA-20。

(l) PA-20的SEM 图像。

图4 (a) 不同PANF气凝胶样品的压缩应力-应变曲线。

(b) PANF气凝胶的热导率 (25°C)和报道的芳纶气凝胶。

  (c) PA-20、PA-40 和其他气凝胶的热导率和比压缩强度。

(d) PANF气凝胶和芳纶的TGA和DTA曲线。

图5 PANF气凝胶的隔热和减震应用。

(a) 红外加热15分钟前后的PS管。

 (b) 在红外加热45分钟前后，由 PANF气凝胶屏障保护的PS管。

  (c) PS管的红外热像。

 (d，g) PANF气凝胶和一块商用PU泡沫在加热前后的表面（接触热阶段）。

(e) 热台加热试验。

(f) 在热台加热测试期间拍摄的红外热图像。 左图为初始状态，右图为120°C加热5分钟后的状态。

  (h)跌落试验前后的裸石英管和气凝胶涂层石英管。

【奇材馆点评】

本研究基于PANF水凝胶的改良冷冻干燥法成功制备的PANF气凝胶，可通过调整PANF% 和干燥温度即可得到不同密度的PANF气凝胶，同时具有相当优异的性能。同时在应用测试中发现具有隔热或减震效果。该制作工艺可对时间、能源节省成本， PANF气凝胶的宏观规模生产与应用有望进一步发展。

【论文信息】

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