气凝胶根据其结构骨架的化学构造组成可分为以下四类（1）陶瓷基气凝胶；如碳化硅气凝胶，二氧化硅气凝胶等。（2）碳基气凝胶；如氧化石墨烯气凝胶，富勒烯气凝胶等。（3）金属气基凝胶；如银气凝胶，铜气凝胶等、（4）聚合物基气凝胶；如聚酰亚胺气凝胶，芳纶气凝胶等。其中聚合物纤维基气凝胶具有质轻、易加工、价格低等特点，是目前研究热度最高的材料之一。芳纶纤维是一种制备高性能聚合物纤维气凝胶的理想基材，具有高强度、高模量和优良耐热性能等优点。芳纶纳米纤维是近年来研究热度最高的纳米材料之一。除了延续芳纶优异的综合性能，芳纶纳米纤维还具有更小的尺寸和更大的比表面积。然而，芳纶分子链间极强的氢键作用力，使得其具有极高的熔点且超过分解温度，只能以浓硫酸为溶剂通过溶液纺丝成型。而且存在工艺复杂且危险系数高、不能重复回收利用、纤维间作用力小及需要粘合剂的问题。因此，制备一种具有生产过程高效环保的绿色环境可持续性聚合物纤维基气凝胶极其重要。

近日，武汉纺织大学熊思维副教授在期刊《ACS Materials Letters》上，发表了最新研究成果“Environmentally Sustainable Polyarylate Nanofiber Aerogels with Superior Thermal, Acoustic, and Electromagnetic Insulation Properties”。论文第一作者为武汉纺织大学在读硕士舍梦婷，通讯作者为熊思维副教授。

图1 PAR纳米纤维气凝胶的制备示意图

本工作通过冰模板法加冷冻干燥工艺高效环保制备了热致液晶聚芳酯纳米纤维气凝胶，具有生产过程高效环保和可回收重复利用的特点，以及优异的吸声降噪、隔热保温和透波性能。在这个过程中，PAR的分子链会进一步聚合，使得PAR纳米纤维气凝胶的机械性能得到提高。同时，热处理过程也会使得PAR纳米纤维间实现熔融焊接，从而进一步增强PAR纳米纤维气凝胶的结构稳定性。PAR的吸声隔音，隔热保温以及透波等性能同时也被测定，以评估其在实际应用中的优势。最后，我们还通过机械破碎和熔融再加工两种方式将PAR纳米纤维进行了循环再利用，为实现全球碳中和和碳达峰的目标做出贡献。

图2 PAR纳米纤维气凝胶的微观形貌及尺寸可控性。

研究PAR纳米纤维气凝胶的微观形貌，其表现出高纵横比和 100-200 nm 的宽直径分布，通过Image J 分析确定，平均为 187.85 nm。热处理前PAR纳米纤维气凝胶是互连多孔网络结构。热处理后，纤维变平，直径增加，PAR纳米纤维达到玻璃转变温度以上，出现粘性流动形成熔融原位焊接，增加了PAR纳米纤维浓度，进一步促进了纤维间的粘附和缠结，从而产生机械上坚固的气凝胶结构。随着PAR纳米纤维用量的增加，气凝胶的密度从PAR NFAs-1的0.0091 g·c-1·m-3上升到PAR NFAs-5的0.0207 g·c-1·m-3。商业聚氨酯和橡胶泡沫的密度均较高，分别为0.0242 g·c-1·m-3和0.032 g·c-1·m-3。PAR纳米纤维密度的增加减小了孔径，原位焊接填充了较小的孔隙，降低了孔隙率。孔隙率的降低增加了通过纤维的热传导，并减少了空气分子的约束。PAR纳米纤维气凝胶还具有出色的轻质特性和形状控制功能，可以根据需要创建各种形状的轻质气凝胶，例如使用模板方法制备的熊猫形气凝胶。

图3 PAR纳米纤维气凝胶的热绝缘性能。

热绝缘是纤维基气凝胶的关键性能之一。测量得到PAR NFAs-1至PAR NFAs-5的导热系数值范围为0.012至0.027 W·m-1·K-1。PAR NFAs-5的导热系数在样品中最高，但仍比市售PU泡沫和橡胶泡沫分别低26%和33%，表明其热绝缘性能优越。当试验时间为40 s时，样品的表面温度达到平衡，随着测试时间的进一步增加，表面温度仅略有波动。当试验时间为60 s时，PAR NFAs-5、商用橡胶泡沫和商用PU泡沫的表面温度分别为50.4 °C、62.8 °C和77 °C，进一步证明了PAR NFAs-5具有优越的隔热性能。除了隔热能力外 PAR纳米纤维气凝胶的保温能力也被进行探究。将不同样品放置在-10℃的冷台上方，同样采用红外热成像仪记录样品上表面温度随时间的变化。当观测时间达到60 s时，PAR NFAs-5表面温度为25.4℃；仅降低了9.6%。相对于商业PU泡沫，PAR NFAs高孔隙率以及由高长径比的PAR纳米纤维组成的三维网络结构可有效降低热量的传递速率，从而表现出长效温度的隔冷性能。

图4 PAR纳米纤维气凝胶的吸声降噪能力及电磁透过性

降噪是气凝胶的一个关键性能指标，通常通过吸音和隔音来评估。当声波遇到介质时，它们可能会被反射、吸收或传输：吸声强调材料内部的传输和消散，而隔音强调反射和能量捕获。尽管这些机制在概念上有所不同，但它们是互补的。在中高频范围内。PAR NFAs-5 显示出明显高于其他样品和商业材料的吸收系数。在不同频率下进行测量，并计算出平均吸声值（SAA）：PAR NFA-1 为 0.107，NFA-2 为 0.192，NFA-3 为 0.205，NFA-4 为 0.216，NFA-5 为 0.317。在高频范围内，密度较高、孔隙较细的材料由于空气快速振动而更好地吸收声音，增强了热交换和能耗。PAR NFA实现了57.4 dB的声压级，展示了卓越的声学性能。空白对照样本平均为73.9 dB，可伤害神经元细胞。PAR NFA 表现最佳，平均保持5 dB，适合安静的环境。波透过率是高频通信应用中使用的材料的关键指标，因为它可以确保高质量、高效的信号传播。PAR NFA几乎没有波动，表明透射率优越。电磁波在材料中的传播衰减特性主要由电导率（σ）、介电常数（ε）和相对磁导率（μ_r）三个本构参数决定。实验数据表明，PU泡沫和橡胶泡沫的电导率分别为2.074×10-15和2.097×10-14，而PAR NFA的电导率显著降低至1.505×10-15。比较了三种材料的相对磁导率 （μ_r）。PAR NFA和泡沫橡胶的μ_r在8-12 GHz范围内均接近1（μ_r≈1.0±0.05），表明其具有非磁性;而PU泡沫在8-10.5 GHz频段表现出弱的正磁性（μ_r≈1.5），但在10.5 GHz后迅速衰减至1.0。电磁屏蔽效果的进一步分析表明，PAR NFA、PU泡沫和橡胶泡沫均表现出低反射损耗特性。同时，这三种指标的基线吸收损耗值（SEA≈0.7 dB）和峰值波动（ΔSEA≈0.17 dB @10.1 GHz）都表明电磁波能量主要通过传输耗散。综上所述，PAR NFA凭借其独特的低介电常数、非磁性特性和结构调节的低电导率，实现了优异的波透明度（传播损耗接近零）。这种固有的电磁强度透明度与 PAR NFA 的隔热能力相结合，凸显了它们在电磁透明热障和通信系统中的应用潜力。

图5 PAR纳米纤维气凝胶双循环回收

由于聚合物纤维基气凝胶复杂的成分，通常难以使用传统方法进行回收，并对可持续生态发展构成威胁。PAR纳米纤维气凝胶具有单一组分，在制备过程中不添加粘合剂或其他材料，PAR纳米纤维可以进行热塑性再加工以形成气凝胶。图5说明了PAR纳米纤维气凝胶的两种回收和再利用途径。在途径1中，PAR NFA的制备不添加粘合剂或其他组分，仅依靠PAR纳米纤维进行热塑性再加工的能力。在实际应用中，回收的PAR纳米纤维气凝胶可以通过机械研磨、溶液分散、冷冻干燥或热处理工艺再制造成新的PAR纳米纤维气凝胶。在途径2中，PAR纳米纤维气凝胶首先通过熔融加工再加工成PAR树脂原料，可用于制造其它PAR材料。随后，回收的PAR树脂通过熔融纺丝加工成连续的PAR纤维。最后，通过湿磨、溶液分散、冷冻干燥和热处理将PAR纤维转化为PAR纳米纤维气凝胶。因此，PAR纳米纤维气凝胶具有多样化、简单、灵活的回收方法。在气凝胶的回收中，首先对废弃气凝胶进行超声波振动清洗粘附在纤维表面的杂质，然后加入少量碱液，辅助1分钟球磨，得到原浆粕，回收过程节省了纤维的纤维化过程，提高了效率。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmaterialslett.5c00796

人物简介：

熊思维，副教授，四川大学博士，硕士导师。已在Advanced Fiber Materials，Chemical Engineering Journal，Composites Science and Technology等期刊等国际期刊发表SCI论文20余篇，申请中国专利6项，主持国家自然科学基金，湖北省自然科学基金、湖北省教育厅等类科研项目10余项，获得湖北省科技进步二等奖和三等奖各1项，中国纺织工业联合会科技进步奖1项，第十八届挑战杯全国一等奖1项，第十八届挑战杯湖北赛区特等奖1项。