李婷婷教授团队 | 典型有机气凝胶材料在热防护中的应用进展
典型有机气凝胶材料在热防护中的应用进展
周宇1 李婷婷1,2 任海涛1 林佳弘3 楼静文4
（1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津，300387；2.先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津，300387；3.逢甲大学，中国台湾台中，407102；4.亚洲大学，中国台湾台中，413305）
基金项目：中国纺织工业联合会科技指导性项目（2025029）；天津市消防安全技术重点实验室开放基金项目（2025TKLFST03）
作者简介：周宇（2001—），男，在读硕士研究生；李婷婷，通信作者，教授，tingtingli@tiangong.edu.cn
摘要： 为推动热防护有机气凝胶的研究与应用，系统综述棉纤维素、芳纶及聚酰亚胺气凝胶三类典型有机气凝胶的制备工艺、热防护机理及其在热防护领域的应用情况。首先分析了各气凝胶材料的制备工艺及其对孔隙结构的调控规律，并探讨了化学交联、阻燃改性及有机⁃无机复合等手段对气凝胶热稳定性的提升。其次，对比分析了三类气凝胶材料在原料来源与可持续性、制备工艺与孔隙结构调控、热稳定性和阻燃性、力学性能与柔性适应性、典型应用定位等方面的差异。最后，总结了三类气凝胶在航空航天、个人热防护及新能源动力电池热管理中的应用现状。指出：棉纤维素气凝胶具备绿色可再生与低成本优势，适用于中低温柔性防护；芳纶气凝胶凭借刚性芳香族骨架展现出卓越的本征阻燃与机械稳定性，适用于高温热防护场景；聚酰亚胺气凝胶则在300 ℃~600 ℃高温环境下的结构稳定性与分子结构可设计性方面表现更加突出。面向未来，研究重点应聚焦于攻克常压干燥等低成本规模化制造技术，并持续向多功能智能集成和极端环境下长期服役的可靠性方向发展。
关键词： 气凝胶；热防护；棉纤维素；芳纶；聚酰亚胺
当前，面向航空航天、消防及新能源电池等领域，新一代热防护系统正朝着轻量化、柔韧和高热稳定性的方向发展。在众多材料中，气凝胶凭借其高孔隙率和低热导率的天然优势成为重点研究对象。然而，传统无机气凝胶（如二氧化硅）本征脆性较大，在外力作用下易发生粉化坍塌，从而限制了其大规模的应用。相比之下，有机气凝胶具有优异的机械性能和隔热效果。常见的有机气凝胶主要包括纤维素气凝胶、酚醛气凝胶、聚酰亚胺（PI）气凝胶、芳纶气凝胶、聚脲气凝胶和聚氨酯气凝胶等。在众多体系中，选取棉纤维素气凝胶、芳纶气凝胶及PI气凝胶这三类典型有机气凝胶作为研究对象。其中，以棉纤维素气凝胶为例，它不仅成本低廉、绿色可再生，经过涂层或接枝等阻燃处理后，在热防护方面展现出极大的潜力。而芳纶及PI气凝胶则凭借本征刚性大分子骨架，展现出卓越的耐高温热稳定性与本征阻燃特性。基于此，本文系统综述棉纤维素、芳纶及PI气凝胶的制备工艺，并总结其在相关领域的应用现状，以期为新型轻质高效热防护材料的开发提供系统的理论参考。棉纤维是天然纤维素中纯度较高且最常见的原料来源之一，但原始的棉纤维中通常有蜡质、果胶、半纤维素和微量木质素等非纤维素成分。因此在制备工艺初期，需通过脱脂、碱煮和漂白等一系列步骤去除杂质，以获取具有高纯度的纤维素。此外，如若使用废旧的棉纺或棉混纺织物作为原料，则还需根据织物后整理方式和混纺组分，进一步去除树脂、柔软剂或功能助剂等，以避免影响成胶的均一性。利用得到的棉纤维素制备气凝胶，其制备路线主要分为溶解再生法和纳米解纤组装法。溶解再生法是将棉纤维素溶解于适宜溶剂体系中，配制成均一的前驱液，随后经凝固、干燥构建出三维多孔网络。这种工艺的优势在于骨架结构均匀，不过棉纤维素本征的高结晶度和高聚合度使其溶解起来比木浆纤维素更困难，实际操作中往往离不开降聚、活化等预处理步骤。纳米解纤组装法是通过化学氧化、机械剪切或生物酶解，把棉纤维拆解成纳米级纤维，再借助冷冻诱导、离子交联等手段重新编织成网。这种自下而上的组装方式，能更好地保留棉纤维天然的层级结构。相比于由木材、竹子或稻草为原料的纤维素气凝胶，棉纤维素气凝胶最显著的特征在于其自带的棉纺属性。研究人员可以直接利用棉毡、棉网或纯棉布料作为基底，通过浸润前驱液、凝胶化及干燥处理，直接构筑出织物增强型的复合气凝胶，在此过程中，棉纺织品不再仅仅充当提取原料，而是直接作为隔热材料的承力骨架。这一特性为后续开发高柔韧隔热垫及可穿戴热防护装备铺平了道路。棉纤维素气凝胶的优异热防护性能主要来源于其高孔隙率、低密度及多尺度传热阻断。由棉纤维素构建的三维网络通常包含纳米级的纤维骨架、微米级的孔道以及更大尺度的连通孔隙，这种多级孔隙结构能够有效降低固体相的连续传热路径，同时限制孔内气体分子的对流与扩散，从而表现出较低的热导率。若通过定向冷冻可以进一步构筑层状、蜂窝状或管道状结构，使材料在特定方向上表现出更优异的隔热效果。但棉纤维素气凝胶在高温或遇明火时，纤维素骨架会经历脱水、裂解、炭化和氧化等过程，导致孔隙结构收缩坍塌。因此，棉纤维素气凝胶虽然具有良好的轻质隔热潜力，但若要应用于热防护场景，仍需增强阻燃和耐热性。通常采用磷系、氮系、硼系和硅系阻燃组分对棉纤维素骨架进行改性。磷氮协同阻燃体系可促进凝聚相成炭并抑制可燃挥发物释放，是棉基气凝胶最常见的改性路线之一。Wang L L等以废旧棉织物为原料，通过溶解再生构建纤维素水凝胶，随后将其浸渍于植酸与丙烯酰胺的混合溶液中，在引发剂过硫酸铵的作用下，通过原位聚合和冷冻干燥成功制备出具有磷⁃氮协同效应的高效阻燃纤维素复合气凝胶，该气凝胶展现出优异的阻燃性能与隔热性能，其极限氧指数大于40%，垂直燃烧后的炭化长度随阻燃剂含量增加而显著降低，且在800 ℃空气环境下的残炭率最高可达2.86%。除外加阻燃组分外，化学交联和有机⁃无机复合同样是提升棉纤维素气凝胶热稳定性的有效方法。通过戊二醛、环氧类或多官能团交联剂增强纤维素链间连接，可在一定程度上提高骨架完整性并抑制干燥或受热过程中的结构收缩。进一步引入二氧化硅、氧化铝、蒙脱土、氧化石墨烯或硼化氮等填料，还可构建有机⁃无机协同骨架，兼顾阻燃、耐热和力学增强效果。张城森通过碱/亚氯酸钠法提取纤维素，制备了纳米氧化铝改性纤维素气凝胶。随着纳米氧化铝质量浓度增加至0.04 g/mL，60%形变量下气凝胶的应力提升至19.45 MPa，气凝胶的极限氧指数提升至27.5%。与天然棉纤维不同，芳纶作为一种高性能合成纤维，其分子链由芳香环与酰胺键构成。如果说棉纤维素气凝胶的优势在于绿色可再生与低成本柔性防护，那么芳纶气凝胶则面向更高温和更苛刻力学性能要求的应用环境。芳纶气凝胶的制备核心在于将宏观芳纶解离为纳米尺度的纤维单元，并重构为三维多孔网络结构。这一过程主要包含芳纶纳米纤维（ANFs）的液相剥离制备，以及基于纳米纤维分散液的凝胶化与干燥成型。芳纶纳米纤维的制备通常采用液相剥离法，在极性非质子溶剂中加入强碱，使芳纶分子链上的酰胺N—H发生去质子化，从而削弱分子链之间的氢键作用和分子堆积。在机械搅拌或超声辅助下，宏观芳纶逐渐被剥离为纳米尺度的纤维单元，形成具有较高长径比并富含表面活性官能团的芳纶纳米纤维分散体系。随后通过调节分散液的pH值、引入交联剂或冷冻诱导等方式，促使纳米纤维之间通过氢键、π—π键相互作用或化学交联重新连接，形成具有三维网络结构的凝胶。其中，定向冷冻干燥技术是构建各向异性气凝胶的有效手段。在冷冻过程中，冰晶沿温度梯度方向定向生长，将ANFs挤压并富集于冰晶间隙区域；冰晶升华后，即形成具有高度取向孔道的层状结构，这种结构不仅赋予气凝胶优异的力学性能，还能够在一定程度上抑制热流传递，提升隔热性能。此外，采用超临界二氧化碳干燥法同样可以制备芳纶气凝胶，该方法能够较好地保留凝胶体系原有的纳米多孔网络结构。芳纶气凝胶由于具有芳香族刚性分子骨架和三维纳米多孔隙结构，表现出优良的耐热性、隔热性和本征阻燃性，其分子链中的芳香环和酰胺键赋予材料较高的热稳定性，而微纳米孔隙结构能够限制气体分子运动、降低气相传热，交织的纳米纤维骨架则延长了固相热传导路径，因此具有较低的热导率；遇高温或燃烧时，芳纶材料易形成较稳定的炭化层，并释放部分非可燃或低可燃性分解产物，从而抑制热量、氧气和可燃挥发物的传递，表现出较高的极限氧指数和良好的自熄性。Cheng Y J等通过连续湿法纺丝结合快速空气干燥工艺，规模化制备了高性能芳纶气凝胶纤维，该纤维展现出优异的综合性能，拉伸强度13.5 MPa，断裂韧性7.0 MJ/m³，超低热导率［约0.038 5 W/（m·K）］，以及在-196 ℃~400 ℃宽温域内卓越的热稳定性与阻燃性。与棉纤维素气凝胶不同，芳纶气凝胶的阻燃特性主要来源于其本征化学结构，通常无需依赖大量外加阻燃剂，因此在航空航天热防护和高性能消防防护等领域具有较好的应用前景。相较于多数传统无机气凝胶，芳纶气凝胶通常表现出更好的柔韧性和循环稳定性。在外力作用下，芳纶气凝胶内部的纳米纤维网络可以通过纤维滑移、孔壁弯曲和氢键的动态重组来吸收和耗散能量，从而避免应力集中并提高结构稳定性。在循环压缩或弯折后，芳纶气凝胶通常仍能保持较好的形变恢复能力和结构完整性，同时表现出一定的阻尼减振性能。Xie C J等通过改进冷冻干燥方法制备了一种芳纶气凝胶，其展现出优异的压缩强度、低热导率及500 ℃以下无明显分解的卓越热稳定性，在经历100次压缩循环后，其压缩应力保持率和尺寸稳定性分别可超过80%和90%。基于这些特点，芳纶气凝胶在航空航天、柔性热防护和高端个体防护等领域具有良好的应用前景。Yu Z C等受肌肉结构启发，制备了一种各向异性芳纶热电气凝胶，通过定向冷冻构建了高度有序的导电网络，从而实现优异的机械强度、隔热性能和阻燃性，利用其热电效应将高温热能直接转化为电信号，实现无需外部电源的自驱动温度监测，在50 ℃~400 ℃范围内展现出响应时间1.43 s的高灵敏度以及自驱动温度监测能力，通过红、黄、绿三色LED灯指示，对消防环境进行实时分级预警。如果棉纤维素气凝胶在中低温柔性热防护领域表现出较好的资源可再生性和产业化基础，芳纶气凝胶在强度、韧性与本征阻燃性能之间实现了较好的平衡，那么PI气凝胶则因其优异的耐高温性能和更稳定的分子结构，被认为是适用于极端高温热防护环境的重要有机气凝胶之一。PI气凝胶通常以二酐和二胺单体为原料，经缩聚成聚酰胺酸前驱体溶液后，引入交联剂构建稳定的三维网络，再经干燥成型和亚胺化制得。二酐和二胺单体种类丰富，可通过不同的组合调控分子链刚性、链间相互作用及自由体积等结构参数，从而影响PI气凝胶的热学性能、机械性能和孔隙结构。其中刚性单体有利于提高耐热性和机械强度，而含醚键或大体积含氟基团的单体则有助于改善柔韧性和孔隙结构。此外PI气凝胶的干燥工艺直接影响其体积收缩率、比表面积、孔径分布和结构稳定性。超临界干燥可有效避免毛细作用对孔隙结构的破坏，最大程度保留纳米多孔骨架。冷冻干燥可借助冰晶模板构筑各向异性孔道。常压干燥则通过溶剂置换和骨架增强降低收缩，是实现低成本规模化制备的重要方向。PI气凝胶优异的热稳定性和力学性能主要来源于其芳香环与酰亚胺环构成的刚性分子骨架和三维多孔网络结构。芳香族主链和酰亚胺环具有较高键能与共轭效应，可在高温条件下抑制链段松弛与热分解，从而赋予材料良好的热稳定性和尺寸稳定性。同时，三维多孔网络有助于分散外部载荷、减缓局部应力集中，使PI气凝胶在压缩、热冲击及复杂环境中仍能保持孔隙结构和基本力学支撑。分子结构设计是调控PI气凝胶热稳定性与机械性能的重要途径。采用均苯四甲酸二酐、3，3'，4，4'⁃联苯四羧酸二酐、对苯二胺等刚性较高的结构单体有利于提高分子链刚性、压缩模量和高温尺寸稳定性。Xu B等以3，3'，4，4'⁃联苯四羧酸二酐、对苯二胺和4，4'⁃二氨基二苯醚为原料制备了各向异性PI气凝胶，其径向热扩散率可低至0.067 mm²/s，5%失重温度高达603 ℃，玻璃化转变温度高达387 ℃，且在200 ℃下仍能保持良好的轴向机械强度与模量。而引入含醚键、大体积含氟基团或硅氧烷链段的单体，有助于降低链间堆积、增加自由体积并改善链段运动能力，从而提升材料的柔韧性和压缩回弹性能。Wang W P等以4，4'⁃联苯醚二酐和1，3⁃双（4'⁃氨基苯氧基）苯为原料制备了柔性多功能PI气凝胶，在50%压缩应变下，经过500次连续压缩循环测试后，应力⁃应变曲线在循环过程中只表现出极小的变化，在承受1 N的重物压制10 min后，仍能完全恢复其原始形状。此外，PI气凝胶的耐高温和机械性能通常由分子骨架刚性、交联网络结构和多级孔隙结构等因素共同影响，通过刚性结构单元与柔性链段的合理匹配，可以在一定程度上实现PI气凝胶的热稳定性、承载能力与压缩回复性能协同提升。PI气凝胶的优异隔热性能主要归功于其高孔隙率与纳米级孔隙结构。这种多级微纳米多孔网络结构能够将空气分子牢牢限制在孔隙内部，当孔径尺寸接近甚至小于空气分子的平均自由程时，利用克努森效应大幅抑制气相热传导。同时，细长且高度交联的聚合物骨架构成复杂的固相热传导路径，不仅延长了热量在固体网络中的传递距离，还增加了界面散射与界面热阻，进一步降低材料的整体热导率。Tafreshi O A等制备的PI气凝胶通过纳米多孔结构消除气体对流，并利用克努森效应限制气体分子运动以显著降低气体热传导；同时，通过引入石墨烯纳米片增强固体骨架并阻断热传导路径，从而优化固体热传导，并结合石墨烯纳米片对红外电磁波的散射与吸收作用进一步衰减热辐射，最终在保持超低密度的同时实现了卓越的隔热性能。在阻燃特性方面，PI与芳纶都是典型的本征阻燃高分子材料，在遭遇外部火焰或高温热流冲击时，其表层富含芳香环的分子骨架会迅速发生热解与交联碳化，原位生成一层致密且坚硬的石墨化碳层。这一碳化屏障能够有效隔绝氧气并阻断可燃性热解气体的逸出，作为物理热屏障大幅削弱热量向内部的持续传递，从而表现出卓越的阻燃与自熄性能。Wang Y J等受到北极熊毛发的启发制备了仿生PI气凝胶，移开酒精灯火源后仿生PI气凝胶能立即自熄，热释放速率峰值仅92.3 kW/m²，总热释放量仅3.2 MJ/m²，具备优异的阻燃性能。棉纤维素、芳纶和PI气凝胶均属于典型的轻质多孔有机气凝胶材料，具有低密度、高孔隙率和优良隔热性等共同特征。但由于三者在原料来源、分子结构及成胶机理等方面存在差异，其热稳定性、阻燃性、力学性能及应用定位也有所不同。对三类气凝胶进行系统比较，有助于明确其在热防护领域中的适用范围。在原料来源方面，棉纤维素气凝胶具有较明显的可持续优势。其前驱体来源广泛，且具有可再生、可降解等特点，便于与纺织废弃物资源化利用相结合。任淑腾利用离子液体将废旧涤棉织物溶解分离并再生，再通过将回收的纤维素与纳米氧化锌复合，成功制备出高性能压电薄膜并组装成了压电纳米发电机。相比之下，芳纶和PI气凝胶多依赖高分子纤维或高纯度单体，原料制备过程的成本和能耗相对较高，因此在可持续性方面总体不及棉纤维素气凝胶。棉纤维素气凝胶、芳纶气凝胶和PI气凝胶均可通过工艺设计实现孔隙结构与骨架形貌的调控，但其制备路径和工艺难度存在明显差异。棉纤维素气凝胶依托天然纤维素的层级结构，通常可通过分散、成胶及冷冻干燥等方法构筑各向同性或各向异性的多孔网络，工艺路径相对成熟且简便。芳纶气凝胶的制备则更依赖芳纶纳米纤维的剥离、分散与再组装过程，对溶剂体系和工艺条件要求较高，但有利于形成连续且强韧的纤维骨架。PI气凝胶通常以聚酰胺酸为前驱体，经交联、干燥和亚胺化制备，其关键在于交联网络构筑及干燥收缩控制，因此整体制备过程往往更为复杂。棉纤维素气凝胶、芳纶气凝胶和PI气凝胶在热稳定性和阻燃性能方面表现出较为明显的差异。棉纤维素气凝胶虽具备良好的隔热能力，但纤维素本身易热解燃烧，其高温服役能力相对有限，通常需要借助阻燃改性提高热防护性能。芳纶气凝胶由于具有刚性芳香族骨架，表现出较好的本征耐热性和阻燃性，在高温条件下可保持较好的结构完整性。PI气凝胶同样属于本征耐热型有机气凝胶，其芳香环和酰亚胺环赋予材料较高的热稳定性和炭化倾向，在高热流环境下表现出较好的阻燃性和抗烧蚀能力。总体而言，芳纶和PI气凝胶在热稳定性和本征阻燃性方面通常优于棉纤维素气凝胶。棉纤维素气凝胶在柔性和织物适配性方面具有一定优势，适用于服装夹层和柔性隔热材料。然而，由于纤维素骨架主要依赖氢键和物理缠结维持结构，其整体骨架强度和湿热稳定性相对有限。芳纶气凝胶依托纳米纤维较高的强度和模量以及纤维间较强的氢键和π-π键相互作用，通常能够形成连续且稳定的纤维网络结构，从而表现出较好的强韧平衡和抗疲劳性能。PI气凝胶的力学性能则具有较强的可设计性，可通过调节单体结构、交联密度和柔性链段含量实现刚性、韧性和回弹性的优化。因此，棉纤维素气凝胶更适合柔性热防护，芳纶气凝胶更适合兼顾强度和韧性的场景，PI气凝胶则更适用于高温环境下对力学稳定性要求较高的场合。综合来看，棉纤维素气凝胶更适合绿色低成本的中低温热防护领域；芳纶气凝胶由于兼具良好的阻燃与力学稳定性，更适合应用于对安全性和结构可靠性要求较高的热防护场景；而PI气凝胶则凭借其优异的耐高温性能和结构稳定性，在极端高温和高可靠性需求的场景下展现出更为突出的应用潜力。在实际材料设计与应用过程中，应综合考虑服役环境、成本因素及加工工艺等，并通过材料复合或多层结构设计实现不同材料性能之间的协同互补。航空航天领域对热防护材料的轻量化与可靠性要求最为苛刻，飞行器在跨越大气层返回或高速巡航过程中面临着剧烈的气动加热与复杂的机械振动。传统的无机气凝胶虽具备优异的隔热性能，但在强烈的气动剪切与振动环境下极易发生脆性断裂和剥落，影响飞行安全。相比之下，PI和芳纶等高性能有机气凝胶及其复合体系兼具低密度、低热导率与较好的柔韧性，在航空航天热防护领域展现出优异的应用潜力。通过耐高温纤维增强构建的气凝胶复合材料，不仅能保持优异隔热性能，同时还能提升抗压缩和抗振动能力，并具备良好的柔韧性与应变恢复能力，可适应飞行器蒙皮结构在热载荷和机械载荷作用下的形变，从而提高热防护系统的可靠性。此外，该类材料在低温环境下仍具有较好的力学稳定性，在低温推进剂贮箱绝热及极端温差热管理系统中也具有应用价值。Xi S等成功制备了一种兼具3.7%低收缩率、0.061 g/cm³低体积质量、0.021 6 W/（m·K）低热导率及高疏水性的PI二氧化硅复合气凝胶，在航空航天严苛环境的地面等效模拟测试中展现出优异的真空出气性能，总质量损失为0.11%，可凝挥发物收集量仅为0.088%，并在经历热循环和空间辐射后，仍能保持稳定的化学组成、微观结构与力学性能。个人热防护装备在消防救援和极端工业环境中对保障人员生命安全至关重要。传统热防护服通常依赖多层隔热结构实现阻燃与隔热，但较大的厚度和质量都会限制作业人员的灵活性，并在高强度环境下增加热应力引起的结构失效风险。气凝胶材料由于具有低体积质量、低热导率，在实现防护装备轻量化方面具有明显优势，但传统无机气凝胶存在脆性大、易粉化和耐弯折性差等问题，限制了其在柔性织物体系中的直接应用。近年来，以芳纶、PI及改性纤维素为代表的高性能有机气凝胶及其织物复合材料受到广泛关注。通过将气凝胶与阻燃织物复合或将气凝胶纤维制成织物，可构建兼具柔韧性与优异热屏蔽能力的轻薄隔热层，在火焰或强热辐射环境下能够有效延缓热量向人体传递，同时其有机骨架具有良好的阻燃性，从而提高防护安全性。Qi J L等以棉纤维纳米纤维素为基本单元制备了纤维素气凝胶，其具备低体积质量，98.5%高孔隙率，经80%压缩应变后仍能保持结构完整的良好柔韧性与回弹性，并且其热降解温度在空气和氮气中均超过310 ℃，在200 ℃高温下仍能保持0.054 5 W/（m·K）的低热导率。He H L等通过湿法纺丝技术制备了具有三维互联导电网络的芳纶气凝胶纤维，实现了100 ℃~400 ℃范围内的宽温域温度传感，并且凭借银纳米线的桥接作用，该芳纶气凝胶纤维制成的织物在火灾环境下能在1.6 s内实现快速且可重复的火灾预警。此外，在极寒环境防护中，纤维素气凝胶和PI气凝胶凭借低体积质量和良好的低温柔韧性，表现出优异的保温潜力。通过对气凝胶的孔隙结构进行调控并引入表面改性，气凝胶织物还能兼顾透湿透气性能，从而提升穿着舒适性。Wang G等制备了一种Fuller⁃dome结构的纤维素气凝胶，其热导率低至0.024 W/（m·K），且在-40 ℃~-20 ℃极端寒冷环境下仍能保持优异的隔热效果。新能源汽车的发展对动力电池系统的能量密度与安全性提出了更高要求，高比能锂离子电池在极端条件下可能发生热失控，并通过热传导引发电池包内的热蔓延，因此在电芯之间设置高效隔热层是电池热管理的重要环节。传统隔热材料如云母板虽具有良好的耐热性，但在轻量化和机械缓冲方面存在一定限制，而传统无机气凝胶的脆性和掉粉问题也影响其在电池系统中的可靠应用。近年来，以改性纤维素、芳纶和PI气凝胶为代表的柔性气凝胶材料因具有低热导率、良好的阻燃性以及一定的压缩回弹能力，在动力电池隔热与热防护方面展现出重要应用潜力。Zhan W等通过冷冻干燥法制备PI/明胶复合气凝胶，明胶作为增强材料与PI形成了双网络互穿结构，显著改善了PI气凝胶的脆性及热力学性能，通过加热板⁃电池1⁃气凝胶⁃电池2的锂电池热失控防护试验，可以看到复合PI气凝胶能将电池2的起火时间延迟约400 s。这类材料不仅能够有效延缓热失控传播，还能在一定程度上吸收电芯膨胀产生的机械应力，从而提高电池模组的结构稳定性。随着材料设计的发展，复合相变材料或功能微胶囊的气凝胶隔热体系也受到关注，为构建兼具主动热调控与被动隔热功能的电池热管理材料提供了新的研究方向。气凝胶因其低体积质量、高孔隙率和低热导率等特性，已成为轻质高效热防护材料的重要研究方向。本文围绕棉纤维素、芳纶及PI三类典型有机气凝胶，系统综述了其原料基础、制备工艺、孔隙结构调控、热防护机理、阻燃增强策略及典型应用的进展。三类材料均可通过构筑从微米到纳米的多尺度多孔网络，有效抑制固体传热、气体传热及热对流，在热防护领域展现出良好的应用潜力，但其性能优势和适用场景存在明显差异。棉纤维素气凝胶是以棉纤维为基础，兼具原料可再生、来源广泛、成本相对较低以及与棉纺织加工体系适配性好等特点，在柔性隔热、可穿戴热防护和废旧棉纺织品高价值化资源再利用方面具有独特优势，是生物基热防护材料的重要发展方向。但受纤维素本征易燃、耐热性差的限制，在高温和明火环境下的结构稳定性仍有待提升，未来的研究重点在于通过改性，提升其本征耐热性，并重点攻克阻燃改性、骨架增强和湿热环境稳定性优化等关键技术，以解决其在高温环境下易炭化坍塌的短板。相比之下，芳纶气凝胶依托芳香族酰胺刚性分子骨架，具有较高的热稳定性、本征阻燃性和较好的力学稳定性，适用于航空航天、消防防护及新能源动力电池热失控阻隔等热防护领域。未来芳纶气凝胶的研究重点可聚焦于利用定向冷冻或湿法纺丝精准调控纳米纤维取向，并引入导电填料开发智能传感型热防护织物，从而在保持优异隔热性能的同时，赋予材料更强的环境适应性与功能交互能力。PI气凝胶则凭借优异的耐高温性能和较强的分子结构可设计性，在极端环境隔热、航空航天及高端热管理方面展现出更高的性能上限，但其前驱体成本和制备工艺复杂度也相对较高。因此，PI气凝胶未来的研究重点可致力于通过单体结构的设计，在保持高耐热性的同时提升材料的柔韧性与回弹性，以满足航空航天等领域对极端温差下结构完整性的严苛要求，并探索低成本单体合成与简便化亚胺化工艺，以降低其工程化应用的门槛。从材料发展趋势看，三类气凝胶并非相互替代关系，而是分别在绿色可持续、中高温防护和极端环境应用等不同场景中各具优势。未来研究应更加注重材料性能与工程应用之间的协同优化，一方面要推动常压干燥、连续化成型和低成本复合改性等关键技术发展，降低气凝胶制备成本并提高规模化制备可行性；另一方面应通过分级孔隙结构设计、界面调控及多相复合，实现隔热、阻燃、力学支撑、透湿舒适和环境适应性等多功能集成，以满足复杂服役条件下的热防护需求。对于棉纺织领域而言，棉纤维素气凝胶的研究不仅拓展了棉纤维材料的应用边界，也为棉短绒、落棉及废旧纯棉纺织品的高值化利用提供了新的技术路径。未来若能进一步加强棉纤维素气凝胶与芳纶、PI等高性能耐热材料的复合设计，发展兼具绿色来源、优良阻燃性和高温结构稳定性的多层次热防护体系，将有望推动气凝胶材料在功能纺织品、高端防护装备和先进热管理领域的深入应用。整体而言，棉纤维素气凝胶、芳纶气凝胶及PI气凝胶在热防护中的协同发展，将为新一代轻质、高效、可持续热防护材料体系构建提供重要支撑。尽管这三类气凝胶在实验室研究中已展现出卓越的热防护潜力，但其大规模工业化应用仍面临瓶颈。传统超临界干燥工艺设备成本和能耗高昂，冷冻干燥则高能耗、长周期和规模化一致性差，未来需要攻克常压干燥技术，以实现低成本、连续化生产。其次，现有研究多聚焦于瞬时性能，缺乏复杂服役环境下的长期可靠性数据，未来需建立标准化的极端环境模拟评价体系，并利用多尺度结构设计提升材料的抗疲劳与力学稳定性。另外，气凝胶材料与现有纺织加工工艺的适配性不足，未来需将气凝胶与纤维基底或织物相结合，从而实现热防护性能与纺织品柔韧性及加工性能的协同优化。本文引用格式
周宇,李婷婷,任海涛,林佳弘,楼静文.典型有机气凝胶材料在热防护中的应用进展[J].棉纺织技术,2026,54(07):11-20.
Zhou Yu,Li Tingting,Ren Haitao,Lin Jiahong,Lou Jingwen.Advances in the application of typical organic aerogel materials for thermal protection[J].Cotton Textile Technology,2026,54(07):11-20.
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