【科研摘要】
氣凝膠作為一種低密度、高孔隙率的資料而廣為人知，與冷凍乾燥或超臨界乾燥等複雜的加工方法密切相關。最近，清華大學庹新林副教授/北京化工大學邱藤副研究員以聚合誘導的芳綸納米纖維（PANF）為基礎，提出了一種改進的冷凍乾燥方法，用於高效製備全對芳醯胺氣凝膠。在製備過程中，PANF水凝膠首先在-18°C冷凍，然後在20-150°C乾燥以形成PANF氣凝膠。在冷凍過程中形成的PANF框架對於PANF氣凝膠的形成至關重要。
此外，冰晶的占位效應也有助於氣凝膠中宏觀孔隙結構的形成。通過這種方法可以成功獲得大尺寸或形狀控制良好的氣凝膠。通過水凝膠中PANF濃度和乾燥溫度的變化，可以獲得不同密度（20-185 mg/cm3）的氣凝膠，在150°C時密度最低，PANF濃度為0.7%。低密度PANF氣凝膠顯示出高比壓縮强度和低熱導率，可與冷凍乾燥或超臨界乾燥方法產生的結果相媲美。此外，乾燥過程中的收縮現象可以巧妙地用於製備PANF氣凝膠塗層物體。PANF氣凝膠在實際應用中可用作隔熱材料或减震資料。相關論文以題為Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing–Drying Method發表在《ACSNano》上。
【主圖導讀】
示意圖1.PANF氣凝膠形成的示意圖（a）原始PANF水凝膠。（b）冷凍PANF水凝膠。（c）PANF氣凝膠。
圖1.（a）PANF分散液。（b和c）PANF在不同放大倍數下的TEM影像。（d）製備的PANF水凝膠（PANF% = 3%）。（e）冷凍的PANF水凝膠。（f）PANF氣凝膠。（g）大尺寸（220 mm×150 mm×40 mm）的PANF氣凝膠。（h）不同形狀的PANF氣凝膠。左，埃菲爾鐵塔；對，中國石獅。（i）塗有PANF氣凝膠的不同資料。從左到右：PS管、金屬管、石英管。
圖2.不同氣凝膠的宏觀形態和典型的SEM影像。
圖3.（a）不同PANF氣凝膠樣品的壓縮應力-應變曲線。（b）PANF氣凝膠和報導的芳綸氣凝膠的熱導率（25°C）。KNA氣凝膠；KNF氣凝膠；層壓氣凝膠（徑向）；PPTA氣凝膠；PA氣凝膠。（c）PA-20、PA-40和其他氣凝膠的熱導率和比壓縮强度。PAN/BA-a/SiO2；近場通信；PVA-co-PE；自動櫃員機；PVA/CNF/GONS；CNF/矽；GA；CSG；注意：選擇的氣凝膠的密度範圍為9.6-42.0 mg/cm3，所有應力均在70%的應變下進行。（d）PANF氣凝膠和Kevlar 29的TGA和DTA曲線。
圖4.PANF氣凝膠的隔熱和减震應用。
【總結】
基於PANF水凝膠的改良凍幹法成功製備了密度可調且性能優异的PANF氣凝膠。在-18°C條件下冷凍，然後在20-150°C下乾燥，PANF水凝膠成功轉化為PANF氣凝膠。PANF框架和冰晶的分離效果保證了該過程中的形狀穩定性。利用該方法的簡單性和製備過程中PANF氣凝膠的收縮率可控，成功製備了大尺寸或各種形狀的PANF氣凝膠以及PANF氣凝膠塗層物體。該方法也足够靈活，PANF%和乾燥溫度作為兩個工藝參數，可以很容易地調整以製備不同密度的PANF氣凝膠。它們的孔結構和BET表面積，以及機械效能和熱導率，都隨著密度而相應地改變。在製備的氣凝膠中，PA-20和PA-40是兩種典型的低密度樣品，具有低熱導率（0.0300-0.0400 W/（m·K））和高比壓强度。此外，PANF氣凝膠表現出優异的熱穩定性，與Kevlar 29相似，在氮氣中500°C之前幾乎不發生分解。在實踐中，PANF氣凝膠可用於隔熱或减震應用。考慮到PANF氣凝膠的優异效能，除了時間、能源和成本節約等優勢外，MFD方法可能為PANF氣凝膠產品的宏觀規模生產和應用帶來光明的未來。
參考文獻：doi.org/10.1021/acsnano.1c01551
原文刊載於【高分子材料科學】公眾號
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