一种用于个人热管理的气凝胶纤维织物

来源 | Nature Communications

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背景介绍

近年来，具有个人热管理功能的智能温控纺织品引起了人们的极大关注，它可以在各种环境温度下为穿着者提供先进的热舒适功能，从而最大限度地减少能源消耗。如航空航天和消防现场，需要轻质超薄的面料来保证穿着者的工作效率和安全。新兴的气凝胶纤维/织物继承了气凝胶的三维多孔结构和纤维的柔韧性，以其轻质、高孔隙率和多集成功能在智能温控纺织品中显示出巨大的潜力。高孔隙结构可以使气凝胶纤维具有较低的导热系数(23-50 mW/mK)，极大地抑制了热损失。因此，气凝胶纤维及其复合织物在个人热管理方面显示出巨大的潜力。

目前，已经开发了几种具有不同功能的气凝胶纤维，与其他有机或无机气凝胶纤维相比，PI气凝胶纤维具有良好的耐温性和优异的力学性能，在大范围温度下的热管理纺织品中显示出相当大的潜力。然而，目前所有策略都需要在纺丝后进行后处理，如超临界干燥或冷冻干燥，以保持气凝胶纤维的高度多孔结构，这是费时且成本高的。通过常压干燥快速制备PI气凝胶纤维仍然是一个巨大的挑战。

通常，气凝胶纤维是通过喷丝管挤出、溶胶-凝胶转变和超临界/冷冻干燥工艺制备的。溶胶-凝胶过程对于形成典型的三维多孔气凝胶结构至关重要。制备连续气凝胶纤维存在溶胶-凝胶过渡和干燥两个主要障碍。高性能气凝胶纤维的高通量制备面临以下挑战：(1)实现纺丝溶液的快速动态溶胶-凝胶转变；(2)构建高强度凝胶骨架并有效避免骨架在干燥过程中坍塌。

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成果掠影

近日，江南大学刘天西和樊玮团队报道了一种快速和可扩展的交联聚酰亚胺(CPI)气凝胶纤维的制造策略。该方法是通过湿纺丝和紫外线增强动态凝胶策略进行环境压力干燥。该策略使光敏聚酰亚胺的溶胶-凝胶快速转变，产生强交联凝胶骨架，有效地保持纤维形状和多孔纳米结构。该方法可在7 h内连续生产出长度达数百米的高比模量(390.9 kN m/kg)的CPI气凝胶纤维，比以往的方法(>48 h)效率更高。此外，CPI气凝胶织物的隔热性能与羽绒几乎相同，但厚度约为羽绒的1/8。此外，在概念验证研究中，CPI气凝胶织物可以与形状记忆材料集成，构建智能热管理织物，用于个人热管理。我们的研究为开发气凝胶纤维和纺织品提供了一种可扩展的生产方法，以满足先进的应用场景。研究成果以“Fast and scalable production of crosslinked polyimide aerogel fibers for ultrathin thermoregulating clothes”为题发表于《Nature Communications》。

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图文导读

图1.CPI气凝胶纤维的制备及其形态。

图2. 紫外光增强动态凝胶策略下PPI的溶胶-凝胶转变过程。

图3.CPI凝胶纤维的凝胶化和骨架强度。

图4. CPI纤维/织物的形态和物理性能。

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