一种可用于极端环境下的可穿戴的隔热气凝胶纤维织物

来源 | Advanced Materials

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背景介绍

纤维是一种丰富多样的材料，天然纤维如头发、羊毛和棉花可以追溯到古代，而合成纤维如聚酯、尼龙和丙烯酸纤维现在被广泛使用。其优异的可编织性和可加工性使其适用于智能传感，电磁屏蔽，生物抗菌剂和隔热领域。具有新颖结构和功能的现代纤维(如中空纤维，微纤维，和羽绒纤维)由于其高表面积和高纤维间/纤维内的空气保持性而成为保暖织物的首选。这些特性可以超越传统制造方法生产的动物、植物或无孔纤维的性能极限。与无孔纤维相比，这些创新纤维具有独特的孔隙结构，可以增强保温性。然而，在实现最佳绝缘性能方面仍然存在挑战。因此，开发具有高孔隙体积和低导热系数的气凝胶纤维是理想的用于个人隔热和调节的热调节材料。

气凝胶是一种具有多孔结构和大表面积的材料。近年来，气凝胶纤维作为理想的高多孔性绝缘纤维的出现引发了大量的研究，产生了各种气凝胶纤维的设计和生产。由气凝胶纤维编织的织物具有优异的性能，如优异的透气性和隔热性。尽管进行了广泛的研究，但在实现具有丰富纳米孔结构的高度稳定和可扩展的气凝胶纤维制造方面仍然存在挑战。

此外，气凝胶纤维必须满足个人热管理(PTM)的舒适性和轻质性的基本标准，同时通过提供抵抗极端环境危害的能力为穿戴者提供附加价值。为了满足这些需求，人们探索了多功能气凝胶纤维的发展，旨在满足日益增长的多功能需求，如阻燃、传感和环境适应。然而，使用通用的制造方法设计功能化的高性能聚合物气凝胶纤维仍然是一个艰巨的挑战。

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成果掠影

近期，中国科学院苏州纳米所王锦等与东南大学孙正明/张培根团队合作针对开发具有优异隔热性的可穿戴气凝胶纤维织物取得最新进展。本文提出了一种使用交联纳米纤维构建块创建聚合物气凝胶纤维的通用策略。这种方法结合了受控质子吸收胶凝纺丝和热诱导交联过程。作为概念验证，设计并合成了具有强大热稳定性(高达650°C)、高阻燃性(极限氧指数54.2%)和极耐化学性的Zylon气凝胶纤维。这些纤维具有高孔隙率(98.6%)、高断裂强度(8.6 MPa)和低导热系数(0.036 W/mK)。这些气凝胶纤维可以打结或编织成纺织品，在恶劣环境(-196 ~ 400°C)中使用，并表现出敏感的自供电传感能力。这种开发气凝胶纤维的方法扩大了高性能聚合物纤维的应用范围，在未来可穿戴智能防护织物的应用中具有很大的潜力。研究成果以“Robust and Flame-Retardant Zylon Aerogel Fibers for Wearable Thermal Insulation and Sensing in Harsh Environment”为题发表于《Advanced Materials》。

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图文导读

图1.CPAGS-HIC策略合成HZAF及其隔热和传感应用示意图。

图2. HZAF的光学照片及结构表征。

图3. HZAF的结构与表征。

图4. 抗极端条件的HZAF。

图5. HZAFs织物的传感和绝缘性能。

图6. 通过CPAGS策略构建不同类型的高性能气凝胶纤维。

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