绿色可持续纺丝参数调控制备高强度PPBESK气凝胶纤维及其热管理应用

为解决传统气凝胶纤维制备工艺复杂、机械性能不足的问题，研究人员通过湿法纺丝结合常压干燥技术，以水为凝固浴绿色制备了具有三层多孔结构的PPBESK气凝胶纤维。该纤维断裂应力达12 MPa，热绝缘性能ΔT/d值达63 °C/mm，为极端环境下的智能织物提供了高性能材料解决方案。

　　

论文解读

在智能织物和极端环境防护领域，气凝胶纤维因其高孔隙率、低导热性和易加工特性备受关注。然而，传统制备方法依赖有机溶剂、特殊设备及复杂工艺，且成品机械性能较差，难以满足实际需求。更棘手的是，超临界干燥或冷冻干燥等后处理步骤成本高昂，而常压干燥又面临多孔结构坍塌的挑战。如何通过绿色方法制备兼具高强度与优异热性能的气凝胶纤维，成为材料科学界的攻关焦点。

大连理工大学的研究团队在《European Polymer Journal》发表的研究中，创新性地采用含联苯结构的聚苯并噁唑醚砜酮(PPBESK)为原料，通过调控纺丝速率、喷丝头直径和溶液浓度等参数，结合湿法纺丝与常压干燥技术，以水为唯一溶剂成功制备出高强度气凝胶纤维。该研究通过系统优化纺丝工艺，揭示了纺丝参数与纤维性能的构效关系，为绿色制造高性能气凝胶纤维提供了新范式。

关键技术方法
研究采用湿法纺丝技术将PPBESK/NMP溶液挤入水凝固浴，通过相分离形成凝胶纤维，随后直接进行常压干燥。关键创新在于利用PPBESK分子中刚性苯并噁唑酮和联苯基团抵抗毛细管力，避免多孔结构坍塌。通过调节纺丝速率(3-22 mm/min)、喷丝头直径(0.21-0.51 mm)和聚合物浓度(10-20 wt%)，系统考察了纺丝参数对纤维形貌与性能的影响。

研究结果

纺丝速率对纤维形貌与机械性能的影响
当纺丝速率从3 mm/min增至22 mm/min时，纤维截面从疏松多孔逐渐转变为致密三层结构。速率过低(3 mm/min)会导致外层过厚，而速率过高(22 mm/min)则引发内层孔洞塌陷。最优速率15 mm/min下制备的纤维具有均匀分级孔道，断裂应力达9.2 MPa，弹性模量保持298 MPa。

喷丝头直径与PPBESK浓度的协同效应
0.36 mm喷丝头与15 wt%浓度组合时，纤维形成独特"三明治"结构：致密外层抵抗机械应力，中间过渡层缓冲变形，疏松内层提供绝热空间。该结构使ΔT/d值提升至58 °C/mm，较传统气凝胶纤维提高40%。浓度增至20 wt%时，虽然断裂应力升至12 MPa，但孔隙率下降导致热绝缘性能降低。

结论与意义
该研究首次实现了完全以水为溶剂的PPBESK气凝胶纤维绿色制备，其三层多孔结构设计同时满足了机械强度(12 MPa)与热绝缘性能(63 °C/mm)的协同提升。相比需要有机溶剂置换的常规方法，该工艺能耗降低70%，且避免了有毒试剂使用。这项工作不仅为极端环境防护服装提供了新材料，其"分子刚性抵抗毛细力"的设计思路更为其他聚合物气凝胶的结构构建提供了借鉴。值得关注的是，PPBESK的可溶解特性与高机械性能的组合优势，突破了传统材料在加工性与性能间的矛盾，展现出在航空航天、极地装备等领域的应用潜力。