【科研摘要】
氣凝膠作為一種低密度、高孔隙率的材料而廣為人知，與冷凍干燥或超臨界干燥等復(fù)雜的加工方法密切相關(guān)。最近，清華大學(xué)庹新林副教授/北京化工大學(xué)邱藤副研究員以聚合誘導(dǎo)的芳綸納米纖維（PANF）為基礎(chǔ)，提出了一種改進(jìn)的冷凍干燥方法，用于高效制備全對(duì)芳酰胺氣凝膠。在制備過(guò)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(guò)程中形成的 PANF 框架對(duì)于 PANF 氣凝膠的形成至關(guān)重要。
此外，冰晶的占位效應(yīng)也有助于氣凝膠中宏觀孔隙結(jié)構(gòu)的形成。通過(guò)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(guò)水凝膠中PANF濃度和干燥溫度的變化，可以獲得不同密度（20-185 mg/cm3）的氣凝膠，在150°C時(shí)密度最低，PANF濃度為0.7%。低密度 PANF 氣凝膠顯示出高比壓縮強(qiáng)度和低熱導(dǎo)率，可與冷凍干燥或超臨界干燥方法產(chǎn)生的結(jié)果相媲美。此外，干燥過(guò)程中的收縮現(xiàn)象可以巧妙地用于制備PANF氣凝膠涂層物體。PANF氣凝膠在實(shí)際應(yīng)用中可用作隔熱材料或減震材料。相關(guān)論文以題為Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing–Drying Method發(fā)表在《ACS Nano》上。
【主圖導(dǎo)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(shù)下的 TEM 圖像。(d) 制備的 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(duì)，中國(guó)石獅。(i) 涂有 PANF 氣凝膠的不同材料。從左到右：PS管、金屬管、石英管。
圖 2. 不同氣凝膠的宏觀形態(tài)和典型的 SEM 圖像。
圖 3. (a) 不同 PANF 氣凝膠樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) PANF 氣凝膠和報(bào)道的芳綸氣凝膠的熱導(dǎo)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(dǎo)率和比壓縮強(qiáng)度。PAN/BA-a/SiO2；近場(chǎng)通信；PVA-co-PE；自動(dòng)柜員機(jī)；PVA/CNF/GONS；CNF/硅；GA；CSG；注意：選擇的氣凝膠的密度范圍為 9.6-42.0 mg/cm3，所有應(yīng)力均在 70% 的應(yīng)變下進(jìn)行。(d) PANF 氣凝膠和 Kevlar 29 的 TGA 和 DTA 曲線。
圖 4. PANF 氣凝膠的隔熱和減震應(yīng)用。
【總結(jié)】
基于PANF水凝膠的改良凍干法成功制備了密度可調(diào)且性能優(yōu)異的PANF氣凝膠。在-18°C條件下冷凍，然后在20-150°C下干燥，PANF水凝膠成功轉(zhuǎn)化為PANF氣凝膠。PANF框架和冰晶的分離效果保證了該過(guò)程中的形狀穩(wěn)定性。利用該方法的簡(jiǎn)單性和制備過(guò)程中PANF氣凝膠的收縮率可控，成功制備了大尺寸或各種形狀的PANF氣凝膠以及PANF氣凝膠涂層物體。該方法也足夠靈活，PANF%和干燥溫度作為兩個(gè)工藝參數(shù)，可以很容易地調(diào)整以制備不同密度的PANF氣凝膠。它們的孔結(jié)構(gòu)和 BET 表面積，以及機(jī)械性能和熱導(dǎo)率，都隨著密度而相應(yīng)地改變。在制備的氣凝膠中，PA-20 和 PA-40 是兩種典型的低密度樣品，具有低熱導(dǎo)率（0.0300-0.0400 W/（m·K））和高比壓強(qiáng)度。此外，PANF氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，與Kevlar 29相似，在氮?dú)庵?00°C之前幾乎不發(fā)生分解。在實(shí)踐中，PANF 氣凝膠可用于隔熱或減震應(yīng)用。考慮到PANF氣凝膠的優(yōu)異性能，除了時(shí)間、能源和成本節(jié)約等優(yōu)勢(shì)外，MFD方法可能為PANF氣凝膠產(chǎn)品的宏觀規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用帶來(lái)光明的未來(lái)。
