電紡納米纖維的均勻性增強可實現聚酰亞胺氣凝膠良好的力學性能及隔熱效果

DOI:10.1016/j.compositesb.2019.107624

在許多領域都需要高性能的隔熱材料。冷凍干燥法制備的聚酰亞胺氣凝膠作為絕熱材料具有很大的潛力。提高聚酰亞胺氣凝膠的力學性能，同時又不降低其隔熱性能，具有十分重要的意義。在這項工作中，采用靜電紡聚酰亞胺納米纖維作為增強填料，已經實現了聚酰亞胺氣凝膠顯著的均勻性增強。短納米纖維與聚酰亞胺氣凝膠具有良好的相容性，可以通過機械聯鎖作用將應力沿孔壁分散，從而提高其強度和韌性。結果表明，納米纖維增強的聚酰亞胺（NRPI）氣凝膠具有較好的結構成型性和良好的力學性能，其壓縮模量為3.7 mpa，密度為54.4 mg cm^-3，是純聚酰亞胺氣凝膠的近兩倍。更重要的是，由于NRPI氣凝膠具有高的孔隙率和三維網絡結構，因此與商業絕緣材料相比，NRPI氣凝膠具有更好的隔熱性能，尤其是在高溫下。因此，具有良好力學性能的納米纖維增強的聚酰亞胺氣凝膠有望成為絕熱應用的理想材料。

圖1.納米纖維增強聚酰亞胺（NRPI）氣凝膠的結構設計和結構。（A）NRPI氣凝膠的制備示意圖。（B）不同形狀的NRPI氣凝膠的照片。（C）可以承受自重2000倍的NRPI氣凝膠的照片。（D）照片顯示NRPI氣凝膠站在雄蕊上。

圖2.NRPI氣凝膠的形態。不同放大倍數下NRPI-0氣凝膠的掃描電鏡圖像。不同放大倍數下NRPI-10氣凝膠的掃描電鏡圖像。

圖3.NRPI氣凝膠的結構成形性和尺寸穩定性。（A）冷凍干燥和熱處理之前和之后的NRPI-0和NRPI-10的照片，表明通過添加納米纖維可減少收縮。（B）NRPI-x氣凝膠的收縮率和密度。（C）NRPI-x氣凝膠的孔隙率。氣凝膠的孔隙率由（1-ρ₀/ρ）×100％計算得出，其中ρ₀是表觀密度，而ρ是骨架密度，這是根據聚酰亞胺的密度（1.4 g cm^-3）估算得出的。（D）示意圖說明了NRPI-10的良好結構成形性，而NRPI-0存在嚴重的收縮。

圖4.NRPI氣凝膠的力學性能。NRPI-x氣凝膠的（A）應力應變曲線，（B）楊氏模量，（C）彈性應變能。（D）含/不含納米纖維增強蜂窩結構的有限元法（FEM）模擬。蜂窩結構是由元素節點的總位移來著色的。（E）NRPI-10的比模量與幾種常見的氣凝膠類材料的比較，包括二氧化硅氣凝膠、聚氨酯氣凝膠、聚合物/二氧化硅氣凝膠、納米纖維素氣凝膠、聚合物木材。

圖5.NRPI氣凝膠的隔熱性能。（A）NRPI氣凝膠的熱導率。（B）NRPI-10在不同溫度下的熱導率。（C）在300℃的高溫下NRPI-10持續5、10和30分鐘的紅外圖像。（D）在300℃的高溫下，商用PI泡沫和NRPI-10的照片和紅外圖像。（E）從紅外圖像獲得的市售PI泡沫和NRPI-10的溫度與高度的關系。（F）在300℃的高溫下不同時間拍攝的PU、PS和NRPI-10的照片和紅外圖像（從頂部拍攝）。（G）從紅外圖像獲得的PS、PU和NRPI-10的表面溫度與時間的關系。