由一维纳米纤维构建的纤维气凝胶，凭借其超低密度、高孔隙率以及低热导率等独特优势，展现出卓越的热管理性能。然而，纳米纤维之间的相互作用较弱，这使得气凝胶的结构稳定性难以保障，进而可能导致其热性能退化。尽管众多研究者已尝试通过多种物理与化学方法交联增强纳米纤维气凝胶，但仍面临结构难调控、机械性能差等难题。因此，优化纤维的组装与互连模式，依然是当前亟待攻克的重要挑战。
近期，北京大学邹如强教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Template-Anchored Assembly of Superelastic Polyimide Hybrid Nanofiber Aerogel for Thermal Insulation”的研究成果。该研究采用壳聚糖自牺牲模板策略对聚酰亚胺前驱体纤维进行化学锚定与组装，显著增强了短纤维间的互连程度，构建出三维稳健的杂化纳米纤维气凝胶 (PSCD-NFAs)。所开发的气凝胶具备卓越的压缩超弹性，其密度与热导率均可灵活调节，同时展现出优异的热稳定性和耐低温性能，因而在隔热领域展现出巨大的应用潜力。
首先，采用静电纺丝、冷冻干燥和高温热处理技术制备杂化纤维气凝胶，其设计思路与作用机理如图1所示。自支撑壳聚糖模板富含大量活性基团，通过氢键作用以及共价结合，能够促使聚酰胺酸(PAA)纤维定向附着于高分子骨架之上，形成三维互连的多孔网络结构。在随后的热亚胺化过程中，壳聚糖部分降解，形成丰富的交联中心。此外，加入无机二氧化硅纤维作为补强剂，可在一定程度上抑制气凝胶的收缩，增强热处理后整体结构的稳健性。这种杂化纤维网络赋予了气凝胶更优异的力学弹性和隔热效果。
图1 PSCD-NFAs的制备和设计示意图
其次，对气凝胶的结构进行了深入分析，结果如图2所示。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实了水相酰胺化反应的发生，有效促进了高分子骨架的氨基和部分聚酰胺酸前驱体中的羧基的共价结合，增强了热亚胺化处理中纤维与锚定骨架间的相互作用。X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）则展示了气凝胶在热处理前后的结构变化，壳聚糖的热解使得载荷传递从塑性的模板骨架转移到交联的纤维网络上，这也是压缩回弹性产生的基础。
图2 PSCD-NFAs的化学结构和微观形貌表征
如图3所示，压缩应力-应变曲线呈现出显著的超弹性特征。PSCD-NFAs在60%的高应变下可达到约20 kPa的压缩强度，并且能够完美回弹，其塑性形变几乎为0。即使经过100次加载-卸载循环后，材料仅残留7.2%的永久形变。这种特质在极低温环境下依然得以保持，且恢复至室温后并未受损，表现出优异的耐候性。此外，从密度-模量关系指数来看，该材料具备良好的载荷传递能力和结构稳定性。
图3 PSCD-NFAs的机械性能表征
如图4所示，PSCD-NFAs在可调节的密度范围内(12.3~31.5 mg/cm3)展现出优于大多数传统冷冻干燥气凝胶的隔热性能(28.5~31.8 mW/m·K)和轻质性。这种优异的隔热效果得益于其高孔隙率、丰富的气固界面以及复杂的纤维传热通路，有效抑制了热流的传输与扩散，使气凝胶的热导率接近空气，从而实现了极低的热传导性能。
图4 PSCD-NFAs的隔热机制和性能表征
最后，对PSCD-NFAs在高温下的热行为进行了评估，结果如图5所示。聚酰亚胺的固有特性赋予了这种气凝胶高耐热性和自熄灭性。在200 °C环境下，其稳定性优于多种商业泡沫材料，同时隔热效果优异。更为重要的是，PSCD-NFAs不仅能够在高温下保持压缩回弹能力，而且在大应变条件下，其热导率也并未出现显著增加，甚至与许多传统聚酰亚胺气凝胶相当。
图5 PSCD-NFAs的自熄灭性和耐高温性测试
综上所述，该研究提出的模板锚定组装策略成功实现了聚酰亚胺纤维气凝胶纳米纤维之间的有效联结，强化了多孔网络的稳健性。所研发的气凝胶兼具轻质、低热导以及优异的压缩回弹性，有望作为绝热夹层材料，应用于耐热手套、防护服等装备中，为极端温度环境下的热舒适性提供保障。
▓ 来源：Advanced Fiber Materials
▓ 责编：小棉袄
