DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.125739

聚酰亚胺纳米纤维（PINF）气凝胶材料因其出色的热力学性能和独特的多孔结构而在隔热、传感器和过滤应用中备受关注。但是，PINF在有机溶剂（二氧六环或二甲基亚砜）中很难分散，并且尺寸不稳定性一直是限制PINF气凝胶制备的问题，尤其是在水中。因此，以水为分散剂制备结构稳定的聚酰亚胺气凝胶具有重要意义。在这项工作中，将电纺聚酰亚胺纳米纤维前体（聚酰胺酸（PAA）纳米纤维（PAANF））均匀地分散在水中，然后将三乙胺作为粘合剂添加到封端型PAA低聚物中。所得的PINF气凝胶具有优异的力学性能和出色的弹性，在50％应变下的最大压缩应力为7.03kpa。此外，由于气凝胶具有极高的孔隙率（98.4％）和分层多孔结构，对PM2.5表现出很高的过滤效率（99.83％），而压降低于相应的纳米纤维膜材料，这有利于气凝胶在高温过滤等领域的应用。

图1.示意图显示PINF气凝胶的制备过程（a）及其优异的力学性能：（b）数字图像显示压缩后PINF组装气凝胶可以恢复至其原始状态。（c）数字图像显示气凝胶样品可以置于植物尖端。（d-e）图像显示PINF组装气凝胶的极佳柔性，直尺的单位为mm。

图2.具有不同TEA含量的PINF组装气凝胶的SEM图像。（a）不含TEA。PAANF和TEA的质量比为（b）10:1，（c）7:1，（d）5:1，（e）2:1（比例尺分别为5μm和200μm）。

图3.PINF组装气凝胶的尺寸稳定性和热稳定性。（a）含PINF-5和PINF-2的气凝胶样品的照片。（b）不同TEA浓度的PINF气凝胶的收缩率和密度。（c）PINF气凝胶样品的孔隙率。（d）亚胺化前后样品PINF-5的FTIR光谱。（e）气凝胶样品的TG和DTG曲线。（f）PINF气凝胶（25-300℃）的储能模量、损耗模量和阻尼系数的变化。

图4.PINF组装气凝胶的力学性能。（a）在50％应变下添加不同量TEA的PINF气凝胶的压缩应力-应变曲线。（b）气凝胶样品PINF-5在20％、30％、50％、70％应变下的压缩应力-应变曲线。（c）样品PINF-5在不同应变率下的压缩应力-应变曲线。（d）PINF-5气凝胶在50％应变下的循环压缩曲线。（e）在循环压缩试验过程中，高度保持率（％）和最大应力的变化。（f）气凝胶样品PINF-5的拉伸应力-应变曲线。（g）示意图说明了通过PAA前体粘合纳米纤维的过程以及在力作用下结构的稳定性。

图5.PINF组装气凝胶（PINF-5）对PM2.5的过滤性能。（a）气凝胶样品、PI膜和商用AF在不同气流速度下的压降。（b）过滤效率随风速的变化。（c）气流速度为7.1cm/s时，不同尺寸（0.3μm，2.5μm，10μm）的颗粒物的过滤效率。（d）在相同的气流速度（7.1cm/s）下比较气凝胶和其他样品的品质因数。（e）不同基重的气凝胶样品的过滤效率和压降，以及（f）相应的品质因数。（g）该图显示了气凝胶对烟饼产生的高温气体的去除效果（左图是无过滤介质的烟流，右图对应于气凝胶样品PINF-5的效果），以及（h）监测气凝胶对PM2.5和PM10的长期过滤效果。另外，为了表征气凝胶材料的回收性能，在乙醇溶剂中进行了超声波处理，以尽可能多地去除吸附的颗粒（图6a）。显然，在乙醇中处理后，气凝胶仍保持良好的力学性能，并且可以承受大规模弯曲。更重要的是，气凝胶可以保持其稳定的三维网络结构，几乎没有变形，并且在气凝胶网络结构中没有发现明显的颗粒（图S6）。另外，对PM2.5的过滤效率可在5个循环内保持在99.5％以上，这表明它具有稳定的颗粒过滤效果（图6b）。

图6.（a）在乙醇中处理过的气凝胶（PINF-5）的数字图像。（b）气凝胶在五个循环期间的过滤效率。示意图说明PINF组装气凝胶的过滤机理。（c）多孔结构的拦截作用，和（d）单根纳米纤维对颗粒物的扩散作用。（e）SEM图像显示气凝胶顶部、中部和底部的颗粒物分布。