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【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干燥方法，用于高效制備全對芳酰胺氣凝膠。在制備過程中，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。在冷凍過程中形成的 PANF 框架對于 PANF 氣凝膠的形成至關重要。

此外，冰晶的占位效應也有助于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度和低熱導率，可與冷凍干燥或超臨界干燥方法產生的結果相媲美。此外，干燥過程中的收縮現象可以巧妙地用于制備PANF氣凝膠涂層物體。PANF氣凝膠在實際應用中可用作隔熱材料或減震材料。相關論文以題為Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing–Drying Method發表在《ACS Nano》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 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，中國石獅。(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和典型的 SEM 圖像。

圖 3. (a) 不同 PANF 氣凝膠樣品的壓縮應力-應變曲線。(b) PANF 氣凝膠和報道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強度。PAN/BA-a/SiO2；近場通信；PVA-co-PE；自動柜員機；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 氣凝膠的隔熱和減震應用。

【總結】

基于PANF水凝膠的改良凍干法成功制備了密度可調且性能優異的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制備過程中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工藝參數，可以很容易地調整以制備不同密度的PANF氣凝膠。它們的孔結構和 BET 表面積，以及機械性能和熱導率，都隨著密度而相應地改變。在制備的氣凝膠中，PA-20 和 PA-40 是兩種典型的低密度樣品，具有低熱導率（0.0300-0.0400 W/（m·K））和高比壓強度。此外，PANF氣凝膠表現出優異的熱穩定性，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 氣凝膠可用于隔熱或減震應用。考慮到PANF氣凝膠的優異性能，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。