作者：2017级本科生 高榕泽 材料学院
指导老师：伍晖 材料学院
关键词：纳米纤维，绝热，气纺丝技术（solution blow-spinning）、PI
摘要
航天领域对轻质、力学性能好的绝热材料有很高的需求。该作品利用气纺丝技术，以PI为原料，成功制备了密度小、成型性较好、弹性较高的纳米纤维，且具有很好的绝热性。
研究背景
绝热材料在众多领域都发挥着十分重要的作用。如在航空方面，它隔绝航天飞机返航时与大气摩擦产生的1000℃以上的高温，帮助机舱在极端冷热交替的太空中保持恒温，保护飞机内部结构。绝热材料组成的隔热系统覆盖整架航天飞机，保障航天飞机的正常行驶。
对于航天器来说，减轻重量是研究人员们奋斗的目标。飞机的重量每减轻1kg，每小时燃油的花费就会减少0.05美分。气凝胶是密度最小的固态材料，密度仅约3 g/m3，约为空气的两倍。将纳米纤维制备成气凝胶，极大地减小了隔热层的重量。气凝胶具有高熔点、低导热性的热学性质，质轻却坚固耐用，可以承受自身重量几千倍的压力。制成的纳米纤维气凝胶有很好的柔性、弹性和机械强度，可以满足航天飞机飞行时的需求。
图1 （a）飞机整个机身均覆盖有隔热层 （b）气凝胶示意图
制备工艺
该作品采用了气纺丝（solution blow spinning，SBS）的制备方法。通过在与液流相同方向喷出高压气体，使得外层动能小的高压气体在内层形成低压区，由压力差作为驱动力，制备连续不断的一维纳米纤维。液滴形成锥形，压力差克服表面张力形成纤维，到达收集装置的过程中溶剂挥发，溶质留下形成纳米纤维。
图2 气纺丝装置示意图
*图源：Daristotle J L , Behrens A M , Sandler A D , et al. A review of the fundamental principles and applications of solution blow spinning[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016:acsami.6b12994.
传统制备纳米纤维的静电纺丝法相比，气纺丝有众多优势。首先，它避免了使用高压电源，而且避免了使用二氯甲烷、三氟乙醇等高毒性溶剂，从而使制备过程更加安全环保。其次，气纺丝的出丝速率可达静电纺丝的十倍。喷出的高压气体兼具提供驱动力使溶剂挥发的作用，从而非常适合工业化生产。
图3 气纺丝原理示意图
*图源：Medeiros E S , Glenn G M , Klamczynski A P , et al. Solution blow spinning: A new method to produce micro- and nanofibers from polymer solutions[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 113(4):2322-2330.
图4 气纺丝法制备的纳米纤维电镜照片
产品性能
通过尝试不同的PI浓度以及交联剂含量，探索出了绝热性好、成型性好且弹性高、密度小的纳米纤维。下图为将制备出的PI纳米纤维加热到350℃下的红外照片图。由图可见，样品PI纳米纤维的总厚度2.0 cm，一侧为加热到350℃的加热台，另一侧仅为约30℃，且仅需要1 cm左右即可实现由350℃降低到该温度。由此可见制备出的纳米纤维有极好的绝热性，可以满足一定的绝热性需求。同时，制备出的纤维有很好的弹性和成型性，容易制作成各种形状，而且密度非常小，满足了轻质的需求。
图5 样品及加热测试装置
图6 样品红外照片图
总结与展望
现阶段成功实现了用气纺丝技术制备成型性较好、绝热性好的高弹PI纳米纤维。下一步将继续探索合适的PI及交联剂浓度配方，获得热学及力学性能更加优异的纤维。同时将制备更大尺寸的样品，采用更高温度的设备加热，进一步检测样品的绝热性能。气纺丝技术以速度快、成本低的优势适合应用于工业化生产。该纳米纤维绝热材料也在向工业化方向努力。
