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  氣凝膠纖維是通過溶膠-凝膠紡絲和特種干燥技術(shù)直接獲得的一種超輕多孔的新型高性能纖維，是氣凝膠結(jié)構(gòu)在纖維材料中的完美體現(xiàn)。氣凝膠纖維因其具有高孔隙率、低密度和優(yōu)異的隔熱保溫性能而受到廣泛關(guān)注，并被視為下一代保暖纖維，有望顛覆羽絨，替代超細(xì)纖維，在紡織、環(huán)境、能源等諸多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。雖然目前已經(jīng)有氣凝膠纖維問世，但是與種類繁多的塊體氣凝膠相比，氣凝膠纖維的種類還屈指可數(shù)。這是由于塊體氣凝膠制備過程中的靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程與纖維的動態(tài)紡絲過程之間存在明顯差異，通過傳統(tǒng)的動態(tài)紡絲方法難以直接利用塊體氣凝膠的靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變研究成果。

  針對這一問題，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（簡稱中科院蘇州納米所）張學(xué)同團(tuán)隊(duì)提出了一種制備氣凝膠纖維的普適方法，即溶膠-凝膠限域轉(zhuǎn)變（SGCT）方法，巧妙的把氣凝膠纖維的動態(tài)紡絲過程調(diào)整為靜態(tài)的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程，從而為制備任意組分的氣凝膠纖維奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。以聚酰亞胺（PI）氣凝膠纖維制備為例，如圖1所示，首先通過毛細(xì)管力使氣凝膠前驅(qū)體溶液進(jìn)入玻璃毛細(xì)管內(nèi)腔，然后在毛細(xì)管的限域空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體的靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，之后通過簡單的溶劑沖洗取出凝膠纖維，最后利用超臨界CO₂干燥獲得了相應(yīng)的氣凝膠纖維。得到的聚酰亞胺氣凝膠纖維具有超高比表面積（高達(dá)364 m2/ g），出色的機(jī)械性能（彈性模量為123 MPa），優(yōu)異的疏水性（接觸角為153°）和顯著的柔韌性（曲率半徑為200 μm）。

圖1、通過溶膠-凝膠限域轉(zhuǎn)變策略制備PI氣凝膠纖維的流程示意圖

  實(shí)驗(yàn)表明，采用同樣單體制備出的PI氣凝膠塊體是超親水的（接觸角為0°），而采用SGCT方法制備出的PI氣凝膠纖維則是超疏水的（接觸角高達(dá)153°）。這是由于單體中的甲基基團(tuán)在限域空間內(nèi)易于在纖維表面富集造成的。此外，與商業(yè)化的棉纖維或者實(shí)驗(yàn)室自制的芳綸氣凝膠纖維相比，PI氣凝膠纖維也表現(xiàn)出顯著優(yōu)于上述兩者的離火自熄滅（阻燃）特性。進(jìn)一步測試表明，棉纖維的極限氧指數(shù)為24，芳綸氣凝膠纖維的極限氧指數(shù)為28，而PI氣凝膠纖維的極限氧指數(shù)則高達(dá)46.2。隔熱性能測試表明，與傳統(tǒng)的棉纖維及超細(xì)纖維相比，PI氣凝膠纖維具有更加優(yōu)異的隔熱保溫性能，且隔熱保溫性能的優(yōu)異程度與氣凝膠纖維的直徑正相關(guān)。值得注意的是，即使在極端惡劣的環(huán)境下（-165 °C ~ 205 °C的范圍內(nèi)），由PI氣凝膠纖維制成的氣凝膠織物也具有出色的隔熱保溫效果。

圖2、（a）高溫下普通棉線與不同直徑的PI氣凝膠纖維的紅外熱成像圖；（b）普通棉線與不同直徑的PI氣凝膠纖維的溫差對比；（c）普通棉布與PI氣凝膠織物對人體皮膚保溫效果的數(shù)碼照片與紅外圖像。

  此外，研究團(tuán)隊(duì)通過SGCT策略成功制備出了多種有機(jī)氣凝膠纖維、多種無機(jī)氣凝膠纖維和有機(jī)/有機(jī)、無機(jī)/無機(jī)、有機(jī)/無機(jī)雜化氣凝膠纖維，如圖3所示，證明了SGCT策略的普適性。有理由相信，只要獲得了塊體氣凝膠的靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變原理，通過SGCT策略，可以很容易地制備出與此塊體氣凝膠相對應(yīng)的氣凝膠纖維，從而為最大限度地利用已知塊體氣凝膠的靜態(tài)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變知識制備出盡可能多的氣凝膠纖維提供了可能性。

圖3、通過SGCT策略制備不同種類的氣凝膠纖維掃描電鏡照片（a）瓊脂糖氣凝膠纖維；（b）芳香聚酰胺氣凝膠纖維；（c）間苯二酚-甲醛氣凝膠纖維；（d）石墨烯氣凝膠纖維；（e）碳?xì)饽z纖維；（f）氧化硅氣凝膠纖維；（g）聚酰亞胺/氧化硅雜化氣凝膠纖維；（h）石墨烯/碳納米管雜化氣凝膠纖維；（i）芳香聚酰胺/羥甲基纖維素雜化氣凝膠纖維。

  上述相關(guān)研究成果發(fā)表在美國化學(xué)會的ACS Nano雜志上，論文作者包括博士生李鑫、博士后董國慶、博士生劉增偉。通訊作者為中科院氣凝膠團(tuán)隊(duì)（www.aerogel-online.com）的張學(xué)同研究員。

  論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c09391