DOI:10.1016/j.compositesb.2019.107624

在许多领域都需要高性能的隔热材料。冷冻干燥法制备的聚酰亚胺气凝胶作为绝热材料具有很大的潜力。提高聚酰亚胺气凝胶的力学性能，同时又不降低其隔热性能，具有十分重要的意义。在这项工作中，采用静电纺聚酰亚胺纳米纤维作为增强填料，已经实现了聚酰亚胺气凝胶显著的均匀性增强。短纳米纤维与聚酰亚胺气凝胶具有良好的相容性，可以通过机械联锁作用将应力沿孔壁分散，从而提高其强度和韧性。结果表明，纳米纤维增强的聚酰亚胺（NRPI）气凝胶具有较好的结构成型性和良好的力学性能，其压缩模量为3.7 mpa，密度为54.4 mg cm^-3，是纯聚酰亚胺气凝胶的近两倍。更重要的是，由于NRPI气凝胶具有高的孔隙率和三维网络结构，因此与商业绝缘材料相比，NRPI气凝胶具有更好的隔热性能，尤其是在高温下。因此，具有良好力学性能的纳米纤维增强的聚酰亚胺气凝胶有望成为绝热应用的理想材料。

图1.纳米纤维增强聚酰亚胺（NRPI）气凝胶的结构设计和结构。（A）NRPI气凝胶的制备示意图。（B）不同形状的NRPI气凝胶的照片。（C）可以承受自重2000倍的NRPI气凝胶的照片。（D）照片显示NRPI气凝胶站在雄蕊上。

图2.NRPI气凝胶的形态。不同放大倍数下NRPI-0气凝胶的扫描电镜图像。不同放大倍数下NRPI-10气凝胶的扫描电镜图像。

图3.NRPI气凝胶的结构成形性和尺寸稳定性。（A）冷冻干燥和热处理之前和之后的NRPI-0和NRPI-10的照片，表明通过添加纳米纤维可减少收缩。（B）NRPI-x气凝胶的收缩率和密度。（C）NRPI-x气凝胶的孔隙率。气凝胶的孔隙率由（1-ρ₀/ρ）×100％计算得出，其中ρ₀是表观密度，而ρ是骨架密度，这是根据聚酰亚胺的密度（1.4 g cm^-3）估算得出的。（D）示意图说明了NRPI-10的良好结构成形性，而NRPI-0存在严重的收缩。

图4.NRPI气凝胶的力学性能。NRPI-x气凝胶的（A）应力应变曲线，（B）杨氏模量，（C）弹性应变能。（D）含/不含纳米纤维增强蜂窝结构的有限元法（FEM）模拟。蜂窝结构是由元素节点的总位移来着色的。（E）NRPI-10的比模量与几种常见的气凝胶类材料的比较，包括二氧化硅气凝胶、聚氨酯气凝胶、聚合物/二氧化硅气凝胶、纳米纤维素气凝胶、聚合物木材。

图5.NRPI气凝胶的隔热性能。（A）NRPI气凝胶的热导率。（B）NRPI-10在不同温度下的热导率。（C）在300℃的高温下NRPI-10持续5、10和30分钟的红外图像。（D）在300℃的高温下，商用PI泡沫和NRPI-10的照片和红外图像。（E）从红外图像获得的市售PI泡沫和NRPI-10的温度与高度的关系。（F）在300℃的高温下不同时间拍摄的PU、PS和NRPI-10的照片和红外图像（从顶部拍摄）。（G）从红外图像获得的PS、PU和NRPI-10的表面温度与时间的关系。