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2026-04-28

紫外诱导交联!超轻超弹 PAN 基气凝胶,实现隔热 + 储热双功能

天津工业大学等,发表于《Advanced Functional Materials》,论文题目为《Superelastic Polyacrylonitrile Aerogels via Ultraviolet-Induced Radical Crosslinking Toward Ultralight and Thermally Insulating Wearables》(《

通过紫外线诱导自由基交联的超弹性聚丙烯腈气凝胶,向超轻型和热绝缘可穿戴设备发展

》)。
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重点

本研究开发了一种紫外诱导自由基交联策略,制备出超弹性、超轻、固 - 固相变的聚丙烯腈(PAN)基气凝胶,通过梳状 PAHE 三元共聚物设计与静电纺丝、冷冻干燥、UV 交联结合,构建稳定 3D 纤维网络,实现无泄漏相变储热与高效隔热协同,材料密度12.09 mg/cm³、孔隙率99.02%、热导率0.025 W·m⁻¹·K⁻¹,压缩强度提升5.6 倍、100 次热循环潜热保持率98.4%,适用于可穿戴热管理、建筑节能等场景。

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 图1 聚丙烯腈(PAN)基气凝胶的制备流程与交联机理示意图(a) 带有可结晶丙烯酸十六酯(HDA)侧链与柔性烯丙基聚乙二醇(APEG)链段的 PAHE 三元共聚物合成路线。(b) 采用静电纺丝、均质分散、冷冻干燥与紫外辐照制备 PAHE 气凝胶。(c) 提出的紫外诱导自由基交联机理:生成环状与梯形共价结构域,稳定侧链结晶并抑制相变泄漏。。

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图2 PAHE 气凝胶的形貌与物理化学表征(a) PAHE‑UV2 气凝胶的扫描电镜(SEM)图像,附微观结构放大图(i、ii)。(b) 断面 SEM 图像,显示相互连通的多孔网络结构。(c) 超轻块状气凝胶置于花瓣上的实物照片,以及厚度约 2 mm 的自支撑薄层气凝胶。(d) 实物图,展示气凝胶在 180° 弯曲与 720° 扭转下的优异力学柔韧性。(e) 二维红外相关光谱(2D‑FTIR)。(f) PAHE 与 PAHE‑UV2 的 X 射线光电子能谱(XPS)全谱。(g–i) 分别为高分辨 C 1s、N 1s 与 O 1s XPS 谱图。

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图3 PSE2‑SO₃⁻的道南效应与脱盐性能(a) PAHE-UV0 至 PAHE-UV5 样品的热重分析(TGA)曲线。(c) 差示扫描量热(DSC)曲线,展示不同交联程度下聚丙烯腈(PAN)环化行为的演变。(d) PAHE-UV2 样品经 100 次 DSC 熔融 - 结晶循环测试,体现优异的热循环稳定性。(e) PAHE-UV2 的相变焓与转变温度,显示 100 次循环后熔融焓(ΔHₘ)、结晶焓(ΔHc)、熔融温度(Tₘ)与结晶温度(Tc)几乎无变化。(f) UV 交联 PAHE-UV2 气凝胶与石蜡在 80℃下加热 900 秒的实物对比,突出该材料无泄漏的固 - 固相变特性。
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图4 PAHE 气凝胶的力学性能与回弹性(a) PAHE 气凝胶在 60% 应变下的压缩应力 - 应变曲线。(b) 300 次循环加载 - 卸载曲线,展现出优异的抗疲劳性能。(c) 与已报道气凝胶的循环压缩性能对比。(d) 实物照片展示其在多种条件下的强弹性回复能力:(i) 单轴压缩 - 释放;(ii) 纵向压缩;(iii) 横向压缩;(iv) 浸入液氮 30 秒后压缩。(e) 纵向与横向载荷下的应力分布示意图,突出气凝胶网络的各向同性回弹性。示意图中,绿色和红色曲线分别代表纤维 I 与纤维 II,代表不同取向的纤维而非不同种类纤维;紫色圆点表示纤维节点;蓝色箭头表示施加的外力;黑色箭头表示回复力。
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图5 不同 ABP 含量的 PAHE 气凝胶的密度、孔隙率及热 - 力学性能(a) PAHE 气凝胶的密度,附带实物照片突出其超轻特性。(b) 孔隙率。(c) 热导率。(d) 与文献报道气凝胶的孔隙率和热导率对比。(e, f) 不同 ABP 添加量的 PAHE 气凝胶的升温与降温曲线。(g) 在 60℃热台上的升温和降温曲线,用以说明热响应行为。(h) 加热前后的温度差值,证实紫外交联 PAHE 气凝胶具有优异的隔热性能。

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图 6 薄层 PAHE‑UV2 气凝胶与棉布的热管理性能对比(a) PAHE‑UV2 气凝胶在高温与低温环境下贴附于人体手臂的应用示意图。(b, c) 升温和降温曲线,证明 PAHE‑UV2 相比棉布具有更优异的温度调控能力。(d) 热台测试装置示意图。(e) 在 60℃热台上的升温曲线,表明 PAHE‑UV2 隔热性能显著提升。(f) 撤离热源后的降温曲线,温度衰减更慢,体现出高效的储热能力。(g) 红外热成像图:(i) 加热源下,贴在衣物上的 PAHE‑UV2 与棉布的温度对比;(ii) 在人体手臂上的表面温度对比;(iii) 在冰面上的对比,证实双向热管理效果。(h) 双模式可穿戴热调控功能示意图,可实现夏季降温、冬季保温。


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