气凝胶材料在热防护、药物输送和机械缓冲等领域具有极高的应用价值；然而，现有的气凝胶材料在实际应用中通常受到制备工艺复杂和性能单一的限制。为了解决这些问题，本研究开发了一种聚酰亚胺包覆芳纶纳米纤维策略(PCoA)，制备了一系列芳纶纳米纤维(ANF)/聚酰亚胺(PI)多功能有机气凝胶。相关研究发表以Polyimide-Coating-on-Aramid nanofiber strategy toward ultralight organic aerogels with multifunctional properties为题发表在期刊Chemical Engineering Journal。第一作者为团队博士生王晓磊，通讯作者为哈尔滨工业大学郑州研究院研究员曹文鑫、哈尔滨工业大学机电学院副教授李斐然和航天学院教授朱嘉琦。
主要内容 一、材料 Kevlar纱线：从Thread Exchange, Inc.购买了类型为K69、右捻的Kevlar纱线。 可溶性PI粉末：从东莞/广东展阳高分子材料有限公司购买了可溶性聚酰亚胺（PI）粉末。 化学试剂：二甲基亚砜（DMSO）、95%的乙酸钾（KOH）、叔丁醇和去离子水（DI）均购自阿拉丁试剂有限公司。所有试剂均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。
二、研究方法与策略 采用聚酰亚胺涂层于芳纶纳米纤维（PCoA）的策略制备了一系列芳纶纳米纤维（ANF）/聚酰亚胺（PI）多功能复合有机气凝胶。 利用PI涂覆在ANF表面，并在ANF三维网络骨架内构建大量中孔，使ANF/PI复合气凝胶表现出卓越的多功能性。 图1 ANF/PI 复合有机气凝胶的制备流程图 三、 制备 （一）ANF分散液的制备： 将大量的Kevlar 69纱线和KOH按Kevlar与KOH的质量比为1:2的比例加入到DMSO中。 在室温下剧烈搅拌一周，得到浓度为10 mg/mL的暗红色ANF/DMSO分散液。 （二）PI分散液的制备： 将PI粉末通过超声分散在DMSO中30分钟，得到浓度为200 mg/mL的PI/DMSO分散液。 （三）ANF/PI复合有机气凝胶的制备： 将一定量的200 mg/mL PI/DMSO分散液加入到10 mg/mL ANF/DMSO分散液中，并在室温下剧烈搅拌。 将混合分散液注入定制的模具中，然后浸泡在去离子水中一定时间，形成具有3D网络结构的水凝胶。 通过将水凝胶内部的水分置换为叔丁醇，然后进行冷冻干燥，得到最终的ANF/PI复合有机气凝胶。这些气凝胶的PI质量分数分别为10 wt%、15 wt%、20 wt%、25 wt%和30 wt%，并分别标记为ANF/PI-10、ANF/PI-15、ANF/PI-20、ANF/PI-25和ANF/PI-30。 四、复合气凝胶的性能 热学性能：PI含量为20 wt%的复合气凝胶热导率为23.20 mW/mK，低于空气，表现出优异的隔热性能。 力学性能：在密度仅为14.86 mg/cm3的情况下，复合气凝胶的比杨氏模量达到32.57 MPa/(g/cm3)，为已报道有机气凝胶中的最高值。 其他性能：还具有优异的声学隔离、热稳定性、阻燃性和疏水性。 图2. 不同PI添加量制备的ANF/PI复合有机气凝胶的内部结构的SEM图片: (a–f) 0 wt%, 10 wt%, 15 wt%, 20 wt%, 25 wt%, and 30 wt%。不同 PI 含量气凝胶样品的(g) N2 吸附-解吸曲线，(h) 内部孔径分布和 (i) BET 表面积 五、结论与展望 1. 提出了一种简单、新颖且实用的聚酰亚胺包覆芳纶纳米纤维 (PCoA) 策略，用于制备具有优异多功能特性的ANF/PI 复合有机气凝胶。 2. ANF/PI复合有机气凝胶的热导率低至 23.20 mW/mK，甚至低于空气的热导率；其比模量更是高达 32.57 MPa/(g/cm3)，在目前已报道的有机气凝胶中为最高。 3. ANF/PI 复合有机气凝胶集轻质、优异的隔热性能、坚固的机械性能、耐高温性、自洁性和良好的隔音性于一体，有效解决了气凝胶制备复杂、功能单一及在恶劣环境中应用受限等问题。 4. 由于PI的分子链上含有不同基团，使其具有多样的性能，如耐腐蚀性、耐水解性和耐辐射性，因此我们可以尝试使用PCoA策略将ANF与不同类型的PI结合，制备符合特定应用要求的超轻有机气凝胶。这将有助于丰富气凝胶类型、提升气凝胶性能，并拓展其应用领域。
来源：气凝前沿、红外薄膜与晶体
原文始发于微信公众号（中国复合材料学会）：【复材资讯】哈尔滨工业大学：基于聚酰亚胺涂覆芳纶纳米纤维的策略制备具有多功能特性的超轻有机气凝胶