【研究背景及内容】
气凝胶纤维集气凝胶低密度、高孔隙率和高比表面积等优点及纤维的可编织特性，在隔热保温及可穿戴织物方面显示出巨大的应用前景，被认为是下一代高性能保温纤维。然而，目前的气凝胶纤维受到其对恶劣环境的抗性较差并缺乏感知响应的特征，用于可穿戴织物上仍然是一个巨大的挑战。
基于此，东南大学孙正明/张培根团队与中国科学院苏州纳米所王锦团队合作提出了一种制备高性能气凝胶纤维的新方法，即可控质子吸收结合热交联方法(CPAGS-HIC)，实现了高性能气凝胶纤维的动态纺丝过程和静态溶胶凝胶适配结合。以Zylon气凝胶纤维(HZAF)制备为例，如图1所示，纺丝液通过凝固浴发生可控质子吸收过程，经溶胶-凝胶转变形成凝胶纤维，再经溶剂置换，超临界CO2干燥后进一步热交联得到相应的气凝胶纤维。所得气凝胶纤维具有高比表面积（高达379.7 m²/ g），高力学强度（8.6 MPa），高热分解温度（650℃），阻燃性（LOI=54.6%）、耐酸碱性和柔性，经过编织后的气凝胶织物可用于隔热保温和摩擦电传感。
图1： CPAGS-HIC策略合成HZAF及其隔热和传感应用示意图。
结果表明，CPAGS-HIC方法所制备HZAF连续、均一。SEM中发现HZAF的微观结构呈现出多孔纳米纤维网状，并且HZAF可打结，体现出良好的柔性。FTIR，XPS等基础表征中证实了热处理过程中纳米纤维发生了交联，热分析表明经过CPAGS-HIC 方法后HZAF的高热稳定性 (650℃) 没有显著变化，对气凝胶纤维在极端环境下的应用至关重要，交联后力学性能提高。与一些报道的气凝胶纤维相比，HZAF的力学性能和热稳定性具有较高水平。
图2：HZAF的结构与表征。a) ZF、ZAF和HZAF的红外光谱。b) ZF、ZAF和HZAF的XRD谱图。c) XPS谱图。d) ZF、ZAF和HZAF的氮气吸脱曲线(附图为其孔径分布)。e)不同浓度制备的HZAFs的应力-应变曲线。f)不同浓度制备的HZAFs的断裂强度和孔隙率。g)氮气气氛下ZF、ZNF和HZAF的TGA和DTG曲线。h)所选气凝胶纤维耐温值与断裂强度的比较。
与商用棉纤维相比，HZAF气凝胶纤维表现出显著的离火自熄特性。进一步测试表明，HZAF气凝胶纤维的极限氧指数则高达54.6%。锥形量热仪测试中，证明了HZAF的不燃特性。低的峰值放热率、总放热量和总排烟量表明HZAF可以阻止火焰的蔓延。此外交联后的气凝胶纤维显示出对酸碱的优异耐受性，浸泡半年以上依然保持微观结构无显著变化。压缩力学测试中发现具有交联纳米纤维结构的HZAFs纤维集合体在60%压缩下可以恢复到原始状态。其最大抗压强度是羽绒的4倍，棉的12倍。此外在低温液氮环境下HZAF也具有柔性，高温热台上具有隔热能力，其纤维集合体的热导率（0.036 W∙m−1∙K−1）优于商用的保暖纤维。
图3：HZAF极端环境下的应用。a1, a2)商品棉纤维与HZAFs的点火比较。b)HZAF的放热率、总放热量和有效热燃烧值。c1, c2)纤维对酸或碱的化学稳定性。d) HZAFs、羽绒和棉集合体的压缩应力-应变曲线。e) HZAF在液氮中的柔韧性。f)单根HZAF和棉纤维分别在120℃和220℃热台上的红外图像。g) HZAFs集合体与当前商用绝热材料的导热系数比较。
进一步将HZAF编织成织物，织物延续了HZAF的优异的保温隔热能力和耐极端温度特性。 此外将织物用于TENG中的高性能负摩擦材料, 所制备的TENG在宽的温度范围内显示出稳定的输出性能，可检测人体的各种运动并起到保暖作用。
图4：HZAFs织物的保温隔热和器件传感性能。a)在室温下进行隔热测试的气凝胶和棉织物的数码和红外照片。b, c) HZAFs织物和商用保温材料在200℃稳定温度下(附图)和液氮环境下的温度-时间曲线。d)可穿戴热隔离与传感器集成示意图。e)对HZAF织物TENG在不同温度下的开路电压进行了测试。f) TENG耐久性测试。g) f中标记区域的放大图。h)将传感器附着在喉部检测信号。i)腕部的信号和保暖性能测试。j)行走和奔跑下传感器的信号输出(插图为长时间的保温性)。
最后，CPAGS方法具有一定的普适性，采用此方法，其他高性能聚合物气凝胶纤维的制备得到成功制备(芳纶，共聚芳纶, 杂环芳纶, 棒状聚合物纤维M5)。所得的气凝胶纤维均具有高比表面积和高热分解温度。
图5：通过CPAGS策略构建不同类型的高性能气凝胶纤维。a1)凯夫拉气凝胶纤维。a2) Technora气凝胶纤维。a3) F3气凝胶纤维。a4) M5气凝胶纤维。b) HZAFs衍生的碳气凝胶纤维。c) HZAFs的TG-FTIR图谱。d) 各气凝胶纤维的TG曲线。e) COMSOL中的网格模型和模拟单元。f)气凝胶纤维的导热系数计算值。g)气凝胶纤维的SSA和断裂强度。h) HZAF与其他气凝胶纤维的综合性能比较。
本研究开发的方法为高性能聚合物气凝胶纤维的制备提供新思路，并为极端环境下的可穿戴热管理提供了一种新方法。相关工作以Robust and Flame-Retardant Zylon Aerogel Fibers for Wearable Thermal Insulation and Sensing in Harsh Environment为题发表在Advanced Materials上。论文第一作者为东南大学与中国科学院苏州纳米所联合培养博士生胡沛英，通讯作者为东南大学材料科学与工程学院张培根副教授、中国科学院苏州纳米所轻量化实验室王锦项目研究员和东南大学材料科学与工程学院孙正明教授。该论文获得了国家自然科学基金重大研究计划培育项目和苏州市科技局基础研究试点项目资助。
【文章信息】
Hu Peiying, Wu Fushuo, Ma Bingjie, Luo Jie, Zhang Peigen#, Tian Zhihua, Wang Jin#, Sun ZhengMing#. Robust and Flame‐Retardant Zylon Aerogel Fibers for Wearable Thermal Insulation and Sensing in Harsh Environment. Advanced Materials, 2024, 36(6): 2310023.
https://doi.org/10.1002/adma.202310023