轻质、纳米多孔气凝胶纤维是极端环境下热管理纺织品和摩擦电纳米发电机的核心材料。然而，其较差的机械性能使其在加工或使用过程中容易在剪切或压缩应力下发生结构坍塌。为了解决这一问题，我们在芳纶纳米纤维（ANFs）骨架中构建了一种可控的氢键/共价键互锁拓扑双网结构，开发了一种高强度气凝胶纤维。为开发轻质、高强、高韧性、多功能的气凝胶纤维提供新的见解，并推动其在极端环境保护、可穿戴电子和航空航天领域的应用。
近日，大连工业大学郭静教授和张森教授团队在期刊ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Ultrastrong and Superinsulative Aramid Aerogel Fibers Featuring Hydrogen/Covalent Bond-Interlocked Topological Networks Constructed via Freeze−Thaw Cycling”。研究者通过在芳纶纳米纤维骨架中构建了一种可控的氢键/共价键互锁拓扑双网结构，制备具有高强度以及高隔热性能的复合气凝胶纤维。与传统的芳纶气凝胶纤维相比，所得复合气凝胶纤维拉伸强度以及压缩强度得到了成倍的提升。
此外，进一步负载相变材料（PEG）后，APB-PEG纤维具有极高的相变焓值（142.8 J/g），APB-PEG相变织物表现出优异的调温能力，在动态热管理中展现出独特的调温优势。APB气凝胶隔热织物与APB-PEG相变织物的复合织物也表现出极大的应用潜力，气凝胶织物的隔热能力可以将相变织物存储的热量更加缓慢的释放，实现更加稳定的温控。APB气凝胶纤维为轻质、高强度智能隔热纺织品的开发提供了一种新的方案，在极端环境防护、可穿戴电子及航空航天领域具有广阔的应用前景。
图1：APB复合气凝胶纤维的制备
APB气凝胶纤维的制备过程如图1a所示。
首先，通过湿法纺丝构建芳纶纳米纤维（ANF）的刚性三维骨架。
随后，聚乙烯醇（PVA）通过强氢键与ANF形成物理交联网络。通过硼酸（BA）对PVA进行化学交联，这种双重物理和化学网络结构的协同作用建立了一种坚固的“双重网络结构”。在冻融循环过程中，进一步形成微晶交联点。
最终，该过程导致PVA微晶结构的重组，进一步固结PVA网络并导致形成可控的PVA“增强桥接层”。
图2：APB复合气凝胶纤维的形态以及比表面积测试
纯ANF气凝胶纤维的横截面显示其由松散堆叠的纳米纤维构成三维网络，纳米纤维间通过少量氢键连接，形成开放孔隙结构，但节点连接稀疏，导致力学性能受限。相比之下，对于AP气凝胶纤维，可以看到ANFs组成的多孔3维骨架被PVA壁牢牢的包裹,这使得APB气凝胶纤维的强度大大增强。此外，气凝胶纤维的比表面积最高可达181.65 m²/g，其多级孔结构通过纳米限域效应抑制气体热对流，赋予其超低导热特性。
图3：APB复合气凝胶纤维的力学性能测试
APB气凝胶纤维的拉伸强度提高到9.8 MPa，与传统方法制备的ANF气凝胶纤维相比，断裂伸长率增加到20.8%，比芳族聚酰胺气凝胶纤维提高了33.3（15.6%），实现了比纯ANF气凝胶纤维数倍的提高。同时，它们表现出优异的径向压缩稳定性和可织性，在约万倍于自身重量的压力下不发生变形。APB气凝胶纤维的韧性也显著增强，它们的断裂能（1346 kJ/m3）与ANF相比增加约353.2%（297 kJ/m3）。即使在极端低温下，APB气凝胶纤维也表现出良好的柔韧性。
图4：APB复合气凝胶纤维的隔热性能测试
其分级孔结构通过纳米约束效应抑制气体热对流而赋予超低热导率，导热系数低至0.0395 W/（m·K），结果表明，APB-PEG纤维具有优异的隔热性能，优于传统的羽绒和棉织物，并在极端环境（-196 °C）下表现出优异的隔热潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c17197
人物简介：
张森，大连工业大学副教授，硕士生导师，主持并完成国家自然科学基金青年科学基金项目、辽宁省科技厅自然科学基金面上项目、辽宁省教育厅 A 类项目、大连市青年科技之星项目，并入选了辽宁省百千万人才、辽宁省科技计划项目评审专家、大连市高层次人才及大连市青年科技之星。共发表论文 70余 篇，（SCI 论文 37 篇，EI 论文 2 篇 ，中文核心 28 篇），授权发明专利10余项，并是Carbohydrate Polymers（IF 10.3）、International Journal of Biological Macromolecules（IF 8.2）、Polymer（IF 4.3）、European Polymer Journal（二区 IF 6.0）等杂志审稿人。
郭静，大连工业大学教授，博士生导师。辽宁省功能纤维及其复合材料工程技术研究中心主任、国家科学技术成果奖评审专家、学院教授委员会主任，辽宁省教学名师。入选省优秀人才计划，大连工业大学“十二五”期间有突出贡献和影响人物。负责国家级工程实践教育中心、辽宁省大学生工程实践教育基地、“高分子材料与工程”专业国家卓越计划和省工程人才试点专业建设。以第一作者或通讯作者发表学术论文百余篇(被三大检索收录39篇)，以第一发明人申请发明专利28项，取得专利授权18项，转化11项。
