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【科研摘要】

气凝胶作为一种低密度、高孔隙率的材料而广为人知，与冷冻干燥或超临界干燥等复杂的加工方法密切相关。最近，清华大学庹新林副教授/北京化工大学邱藤副研究员以聚合诱导的芳纶纳米纤维（PANF）为基础，提出了一种改进的冷冻干燥方法，用于高效制备全对芳酰胺气凝胶。在制备过程中，PANF水凝胶首先在-18°C冷冻，然后在20-150°C干燥以形成PANF气凝胶。在冷冻过程中形成的 PANF 框架对于 PANF 气凝胶的形成至关重要。

此外，冰晶的占位效应也有助于气凝胶中宏观孔隙结构的形成。通过这种方法可以成功获得大尺寸或形状控制良好的气凝胶。通过水凝胶中PANF浓度和干燥温度的变化，可以获得不同密度（20-185 mg/cm3）的气凝胶，在150°C时密度最低，PANF浓度为0.7%。低密度 PANF 气凝胶显示出高比压缩强度和低热导率，可与冷冻干燥或超临界干燥方法产生的结果相媲美。此外，干燥过程中的收缩现象可以巧妙地用于制备PANF气凝胶涂层物体。PANF气凝胶在实际应用中可用作隔热材料或减震材料。相关论文以题为Macroscopic-Scale Preparation of Aramid Nanofiber Aerogel by Modified Freezing–Drying Method发表在《ACS Nano》上。

【主图导读】

示意图 1. PANF 气凝胶形成的示意图 (a) 原始 PANF 水凝胶。(b) 冷冻 PANF 水凝胶。(c) PANF 气凝胶。

图 1. (a) PANF 分散液。（b 和 c）PANF 在不同放大倍数下的 TEM 图像。(d) 制备的 PANF 水凝胶 (PANF% = 3%)。(e) 冷冻的 PANF 水凝胶。(f) PANF 气凝胶。(g) 大尺寸 (220 mm × 150 mm × 40 mm) 的 PANF 气凝胶。（h）不同形状的PANF气凝胶。左，埃菲尔铁塔；对，中国石狮。(i) 涂有 PANF 气凝胶的不同材料。从左到右：PS管、金属管、石英管。

图 2. 不同气凝胶的宏观形态和典型的 SEM 图像。

图 3. (a) 不同 PANF 气凝胶样品的压缩应力-应变曲线。(b) PANF 气凝胶和报道的芳纶气凝胶的热导率 (25 °C)。KNA气凝胶；KNF 气凝胶；层压气凝胶（径向）；PPTA气凝胶；PA气凝胶。(c) PA-20、PA-40 和其他气凝胶的热导率和比压缩强度。PAN/BA-a/SiO2；近场通信；PVA-co-PE；自动柜员机；PVA/CNF/GONS；CNF/硅；GA；CSG；注意：选择的气凝胶的密度范围为 9.6-42.0 mg/cm3，所有应力均在 70% 的应变下进行。(d) PANF 气凝胶和 Kevlar 29 的 TGA 和 DTA 曲线。

图 4. PANF 气凝胶的隔热和减震应用。

【总结】

基于PANF水凝胶的改良冻干法成功制备了密度可调且性能优异的PANF气凝胶。在-18°C条件下冷冻，然后在20-150°C下干燥，PANF水凝胶成功转化为PANF气凝胶。PANF框架和冰晶的分离效果保证了该过程中的形状稳定性。利用该方法的简单性和制备过程中PANF气凝胶的收缩率可控，成功制备了大尺寸或各种形状的PANF气凝胶以及PANF气凝胶涂层物体。该方法也足够灵活，PANF%和干燥温度作为两个工艺参数，可以很容易地调整以制备不同密度的PANF气凝胶。它们的孔结构和 BET 表面积，以及机械性能和热导率，都随着密度而相应地改变。在制备的气凝胶中，PA-20 和 PA-40 是两种典型的低密度样品，具有低热导率（0.0300-0.0400 W/（m·K））和高比压强度。此外，PANF气凝胶表现出优异的热稳定性，与Kevlar 29相似，在氮气中500°C之前几乎不发生分解。在实践中，PANF 气凝胶可用于隔热或减震应用。考虑到PANF气凝胶的优异性能，除了时间、能源和成本节约等优势外，MFD方法可能为PANF气凝胶产品的宏观规模生产和应用带来光明的未来。