具有核/壳结构的有机/无机复合柔性气凝胶纤维制备及结构控制研究

China faces the serious shortcoming of energy resources. High effective thermal insulation materials are urgently required for energy saving in the thermal insulation of the industry and construction. Aerogels have the lowest thermal conductivity in solid materials. Because of complex making process, low toughness and low strength the application of the aerogels are limited. In this project, we will develop a new kind of composite aerogel fiber with core/shell structure in which the flexible dense core will function as a strength support while the porous shell function as thermal insulation layer. We will study the effects of the composition and characteristics of the solution for electrospinning, environment of the electrospinning and the post-treatment of the fibers on the pore structure and interface structure of the fibers. We will mainly focus on the mechanism of microphase separation during which the fibers form their structure. Comparing the structure of the composite fiber with its characteristic we will get the relationship between the structure and the performance of the fibers. Based on the basic study we will get the method to design a composite aerogel fiber with a predetermined performance. This project will lay a foundation for the application of this new kind of fibers and support the development of the fibers with the similar structure to the composite aerogel fibers.

我国面临的能源短缺形势越来越严峻，在工业与建筑保温节能和安全生产领域对高效隔热材料有重大需求。目前，隔热材料主要有泡沫材料、纤维材料和气凝胶材料三种类型。泡沫和纤维材料隔热性能有待于提高。气凝胶材料是目前热导率最小的固体材料，但其制备工艺复杂、材料韧性和强度较差。针对这种情况，本项目旨在利用静电纺丝法合成具有核/壳结构的复合气凝胶纤维，实现结构-隔热一体化。复合气凝胶纤维的芯层为柔性、致密的聚丙烯腈等有机聚合物，起强度支撑作用；壳层为二氧化硅、二氧化钛等无机多孔气凝胶，起隔热作用。项目将着重研究纤维结构形成过程中的微相分离机理，揭示复合纤维微纳结构的形成机理，表征纤维的机械和隔热性能，并且和其结构相关联，得到复合气凝胶纤维的结构和性能之间的构-效关系，进而实现复合气凝胶纤维的可控制备。项目的开展将为这一新型纤维的应用奠定基础，并为具有类似结构的结构-功能一体化纤维的发展提供借鉴。

高效隔热材料是隔热节能领域的关键。绝热材料往往力学性能较差，需要设计特殊的强度结构以保证隔热功能。在保证隔热性能的前提下实现结构-高效隔热一体化可有效简化隔热结构，提高可靠性，降低成本。本项目成功开发了相分离方法制备耐高温聚酰亚胺多孔纤维和薄膜，在保证孔结构及隔热性能的前提下获得了良好的力学性能，有望用于结构-隔热一体化。通过实验研究和理论分析获得了聚酰亚胺隔热纤维和薄膜的结构形成机理、影响规律和控制方法。实现了结构和性能的优化。研究发现，凝固浴强度是决定材料结构和性能的关键因素，后处理温度制度及气氛对材料的性能有重要影响。优化条件下所得的聚酰亚胺隔热薄膜热导率可低至0.019W/(mK)，拉伸强度可达89.6MPa，拉伸模量1.39GPa，断裂伸长率25%，及具有优异的隔热性能又具有良好的力学性能。所得聚酰亚胺多孔纤维在保证孔结构的前提下，同样获得了优异的力学性能，拉伸强度可达487MPa，拉伸模量6.44GPa，断裂伸长率19.45%。通过控制聚酰胺酸的分子量及相分离过程，可以得到聚酰亚胺膜，碳化可以得到高性能分子筛炭膜，优化的分子筛炭膜在H2/N2和O2/N2分离中表现出良好的分离性能。采用静电纺丝技术结合模板法和超临界干燥技术成功制备了氧化钛气凝胶纤维、聚丙烯腈气凝胶纤维及聚丙烯腈基碳气凝胶纤维，通过过程控制可实现聚丙烯腈纤维不同结构的控制，可得到具有表面纳米突起、表面纳米阵列及纳米多孔纤维。