研究背景
傳統氣凝膠在實現低密度和高孔隙率的同時，往往難以兼顧機械性能，以及熱穩定性、阻燃性等多重要求，限制了其在極端環境和多功能應用中的使用。納米纖維因其高長徑比和各向異性結構，能夠通過互相連接有效促進凝膠化過程，已成為氣凝膠組裝的理想構建材料。與傳統溶膠-凝膠法制備的無機氣凝膠骨架（其充滿顆粒連接點，易導致應力集中）相比，納米纖維氣凝膠通過形成面對面的連接點，顯著減少了類似珍珠狀的連接，從而降低了應力集中現象。然而，在低密度條件下實現同時具有高熱穩定性、低熱導率和阻燃性的聚合物氣凝膠仍然是一項極具挑戰性的課題。因此，開發新型高性能聚合物納米構筑單元是協同提升氣凝膠多參數性能，突破當前氣凝膠技術瓶頸的關鍵。
文章概述
近期，東南大學孫正明教授、張培根副教授聯合中科院蘇州納米所王錦研究員提出了一種納米纖維重組三維網絡策略。該策略利用高性能聚（2,5-二羥基-1,4-苯基吡啶二咪唑，簡稱PIPD或M5）纖維制得M5氣凝膠，并用強酸對其進行質子化處理得到酸性M5納米纖維分散液；隨后，采用鹽進行去質子化，形成M5凝膠，最終通過干燥和熱處理制得M5氣凝膠。該凝膠具有低密度（6.03 mg/cm3）、低熱導率（32 mW·m?1·K?1）、高熱穩定性（463 °C）和優異的阻燃性（LOI=50.3%）、壓縮回彈性（80%）以及高比表面積462.1 m2/g。有趣的是，PIPD納米纖維不僅賦予M5氣凝膠優異的機械性能和熱性能，還比纖維素和芳綸納米纖維等氣凝膠具有更好的阻燃性能。該策略對于探索提高聚合物氣凝膠的熱穩定性、力學性能、隔熱保溫性能具有指導和借鑒意義。
圖文導讀
圖1 (a)：M5氣凝膠制備過程中各步驟的示意圖；(b)：宏觀 M5 纖維的數碼圖像和掃描電子顯微鏡圖像；(c)：M5 纖維直徑分布的圖；(d)：M5納米纖維透射電子顯微鏡圖像；(e)：M5 納米纖維分散體轉化為凝膠的凝膠化過程；(f)：M5 氣凝膠的實物照片；(g)：M5A和M5NF及M5原材料的氮吸附-脫附等溫線和孔徑分布。
圖2 (a)：M5 氣凝膠的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；(b)：M5 納米纖維的放大 SEM 圖像；(c)：M5 納米纖維直徑分布圖；(d)：M5、M5NF 和 M5A 的傅里葉變換紅外光譜；(e)：M5A 和 M5NF 的 XPS C 1s 光譜；(f)：M5A 和 M5NF 的 XPS N 1s 光譜；(g)：化學反應過程示意圖。
圖3 (a)：不同 M5A 在室溫下的熱導率；(b)：M5A 在不同溫度下的熱導率；(c)：M5 纖維、M5 納米纖維和 M5A在氮氣氣氛下的熱重曲線；(d)：不同氣凝膠和泡沫材料的熱導率與最高工作溫度的對比圖。
圖 4 (a)：M5 氣凝膠阻燃性展示；(b)：M5A 和其他材料的極限氧指數對比圖；(c)：紅外熱成像下M5A的隔熱效果；(d)：M5A隔熱測試中表面溫度的變化趨勢；(e)：M5A 薄膜在彎曲后恢復原狀的能力；(f)：M5A薄膜的貼合性和保溫性能；(g)：復合相變薄膜的DSC曲線。
總結
本文提出了一種創新性的納米纖維重組策略成功制得高性能M5氣凝膠。該氣凝膠表現出優異的多參數性能，包括極低的密度、低熱導率、出色的固有阻燃性、良好的壓縮回彈性以及高比表面積。此外，其熱穩定性高達463°C，與傳統聚合物氣凝膠相比，M5氣凝膠在整體性能上實現了顯著突破，特別是在力學性能、熱學性能和阻燃性方面。
該研究為高性能聚合物氣凝膠的制備提供了一種新思路，不僅展示了高性能聚合物納米纖維在氣凝膠結構設計中的潛力，還為解決低低密度與阻燃隔熱之間的矛盾提供了技術參考。為未來新型輕質隔熱材料的開發以及高性能氣凝膠的應用奠定了理論和實踐基礎。
期刊簡介
《ChemSusChem》發表以化學為核心、在可持續性研究各個領域具有影響力的科研成果，包括綠色合成與化學、能源儲存與轉化以及材料升級回收等方向。該期刊涵蓋范圍廣泛，涉及可再生能源與材料、碳捕獲與轉化、氫能、環境化學、可持續催化以及綠色化學的所有方面。
