保持人体温度是生活的基本需求之一，这就需要高性能的隔热材料来防止与外部环境的热交换。然而，目前应用最广泛的纤维隔热材料总是存在重量大、机械性能弱、抑制热传导能力一般等问题，导致个人防寒保暖性能有限。

近期，东华大学丁彬教授&张世超研究员等人通过在静电纺丝过程中构建3D互锁卷曲纳米纤维网络，直接合成了一种超轻、机械坚固且隔热的聚酰亚胺气凝胶。控制溶液/H₂O分子的相互作用能够实现带电射流的快速相转化，同时通过调节流体的电荷密度来喷射多个射流，从而使众多卷曲的纳米纤维彼此互锁和交联，形成多孔气凝胶结构。制备的聚酰亚胺气凝胶集超轻特性（密度为2.4mg/cm³）、极端温度耐受性（超过-196-300℃的机械坚固性）和隔热性能（22.4mW/m/K的超低导热率）于一身，是在极端温度下保持人体热舒适度的理想材料。这项工作可为设计和开发满足各种应用的纳米纤维气凝胶提供灵感。

图1.（a）PI卷曲纳米纤维气凝胶的直接合成过程示意图。（b）光学图像显示一片气凝胶立在树叶的顶端。（c）-（e）PI气凝胶在不同放大倍数下的微观结构。照片展示了PI气凝胶的（f）机械坚固性和（g）阻燃性能。（h）气凝胶分别在低温环境和高温环境中的隔热应用。

图2.由疏水剂浓度为（a）0wt%和（b）10wt%的PAA溶液制备的纳米纤维的SEM图像。（c）亲水射流和疏水射流分别形成纳米纤维及其组装体的机理示意图。（d）由具有不同疏水剂浓度的PAA溶液制备的PI卷曲纳米纤维的卷曲率和（e）平均直径。（f）由具有不同疏水剂浓度的PAA溶液制备的卷曲纳米纤维组件的体积密度和孔隙率。（g）互锁卷曲纳米纤维网络形成过程的示意图。（h）多个射流的光学图像和纳米纤维气凝胶的相应SEM图像。（i）不同电荷密度的溶液射流制备的纳米纤维气凝胶的孔径分布。

图3.（a）冷冻前后PI气凝胶的屈曲σ。（b）冷冻后PI气凝胶的原位弯曲。（c）PI气凝胶在液氮中的压缩和释放过程。（d）冷冻20分钟后，PI气凝胶在1000次循环中的剩余压缩σ和塑性变形。（e）PI气凝胶分别在100、200、300和400℃下的体积损失。（f）PI气凝胶在300℃下加热20分钟后的原位压缩。（g）PI气凝胶在300℃下循环1000次期间的剩余压缩σ和塑性变形。（h）300℃下PI气凝胶的储能模量、损耗模量和阻尼比与频率的函数关系。（i）PI气凝胶、PET和棉花的热重（TG）曲线、（j）LOI值、（k）HRR和（l）THR。

图4.（a）不同纤维材料的热导率与体积密度的函数关系。（b）传统电纺微纤维组件和本工作中的PI气凝胶的热传递行为的模型。（c）多孔气凝胶的热传递机制示意图。（d）PI气凝胶在压缩1000次循环后（顶部）和在不同温度环境下（底部）的热导率。（e）PI气凝胶和冷板在注入液氮时的温度-时间曲线。（f）PI气凝胶表面随时间变化的温度分布。

该工作以“Direct Synthesis of Polyimide Curly Nanofibrous Aerogels for High-Performance Thermal Insulation Under Extreme Temperature”为题发表在《Advanced Materials》（DOI:10.1002/adma.202313444）上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202313444