聚酰亚胺包覆高强生物质气凝胶纤维，可编织阻燃，面向极端环境个人热管理
一、研究背景
双碳目标下，个人热管理（PTM）技术凭借精准、节能的温控优势，成为降低建筑能耗、提升人体热舒适的重要方向。气凝胶纤维具备超高孔隙率、超低热导率，是可穿戴热管理纺织的理想候选材料；其中生物质基气凝胶纤维兼具可再生、低成本、柔性好的优势，受到广泛关注。
但生物质气凝胶纤维的实际应用长期受限于力学性能短板：
1. 纯生物质气凝胶纤维骨架脆弱，拉伸强度低，易断裂，无法承受织造、穿戴过程中的反复弯折拉伸；2. 传统 TPU 包覆、物理交联等增强手段，提升幅度有限，整体力学稳定性仍不足；3. 部分再生纤维素制备路线化学试剂消耗高，环境影响大，规模化难度高。
针对以上痛点，本文提出双尺度核壳结构增强策略：芯层为细菌纳米纤维素（BNC）/海藻酸钠（SA）复合多孔气凝胶，外层通过化学酰亚胺化原位生成致密聚酰亚胺（PI）壳。在保留气凝胶高孔隙、低热导的同时，大幅提升力学强度与韧性，同时赋予优异阻燃性，可直接编织成织物，面向极端环境个人热管理。
二、核心创新点
微观尺度：BNC 纳米纤维交织网络与 Ca²⁺交联的 SA 形成 “蛋盒” 结构，氢键与离子交联协同强化多孔骨架；宏观尺度：连续致密 PI 外壳作为主承力层，核壳界面通过氢键实现有效应力传递。两级结构协同，同时实现高孔隙率与高力学强度。先通过 MTMS 气相沉积对气凝胶芯进行疏水改性，抑制后续聚酰胺酸（PAA）前驱体过度渗透；再通过化学酰亚胺化将 PAA 原位转化为 PI，避免高温工艺破坏多孔芯结构。可通过 PAA 浓度、酰亚胺时间精准调控壳层厚度与结构完整性。最优样品 P10t2.5 拉伸强度达29.4 MPa、韧性12.0 MJ·m⁻³，断裂伸长率 73.9%，相比未包覆气凝胶纤维强度提升近 8 倍；可打结、可扭转，耐百次弯折循环，液氮深冷下仍保持柔性，满足纺织织造与复杂环境使用需求。织物热导率低至0.033 W·m⁻¹·K⁻¹，-20~140 ℃宽温域高效隔热；极限氧指数 LOI 达33.5 %，自熄阻燃；同时保持超轻特性，兼顾穿戴舒适性与热安全性。
三、制备方法
① 纺丝液制备
将细菌纳米纤维素 BNC 分散液与海藻酸钠 SA 水溶液混合，磁力搅拌 2 h，400 rpm 离心脱泡，得到均一纺丝原液。
② 湿法纺丝成型
纺丝液装入注射器，14G 针头以 15 mL/min 速率挤出至 5 wt% CaCl₂凝固浴；辊筒以 45 rpm 速率收集，得到连续 SA/BNC 水凝胶纤维。
③ 溶剂交换与冷冻干燥
水凝胶纤维经 25%（v/v）叔丁醇（TBA）水溶液浸泡 12 h 溶剂置换；液氮冷冻后冷冻干燥 48 h，得到 SCAFs 气凝胶纤维。
④ 疏水改性（MTMS 气相沉积）
SCAFs 与 MTMS、去离子水共置于真空烘箱，70 ℃处理 6 h，得到疏水改性 HSCAFs，避免后续 PAA 过度渗入芯层。
⑤ PI 包覆与化学酰亚胺化
HSCAFs 浸入不同浓度 PAA/DMAc 溶液，经 500 μm 内径模具刮除多余溶液，控制包覆厚度；浸入乙酸酐/三乙胺（1:1）酰亚胺化溶液，反应不同时间；60 ℃鼓风干燥，得到 PI 包覆气凝胶纤维 PEAFs。
样品命名 Pxty：x 为 PAA 质量分数，y 为酰亚胺时间；最优样品为P10t2.5（10 wt% PAA，酰亚胺 2.5 h）。
⑥ 织物编织
以 P10t2.5 纤维为原料，手工经纬编织得到气凝胶织物，用于性能测试。
四、性能特点
微观结构与化学表征
核壳结构清晰：致密 PI 外壳+多孔气凝胶芯，界面结合良好；比表面积：包覆后仍达 122.3 m²/g，介孔为主（20‑40 nm），保留气凝胶多孔特征；化学验证：FTIR 出现特征酰亚胺峰，XPS 证实 N、O 结合能位移，证明 PAA 成功转化为 PI。
力学性能
强度与韧性：P10t2.5 拉伸强度29.4 MPa（未包覆 SCAFs 仅 3.7 MPa），初始模量 102.3 MPa，韧性12.0 MJ·m⁻³，断裂伸长率 73.9%；抗疲劳：70% 最大弯曲应变下，100 次循环后弯曲应力仅从 31.0 降至 29.5 kPa，性能稳定；耐低温：液氮（-196 ℃）中反复弯折不断裂，适配深冷环境。对标：综合力学性能优于已报道的纤维素、丝素、海藻酸钙等多数生物质气凝胶纤维。
阻燃与热稳定性
极限氧指数 LOI：P10t2.5 达33.5 %，属难燃材料；点燃后移开火焰 2 s 内自熄；热稳定：最大热分解温度 229 ℃，相比未包覆样品显著提升；高温下形成致密炭层阻隔热与氧气。
热绝缘性能
织物热导率：0.0335 ± 0.004 W·m⁻¹·K⁻¹，优于棉、亚麻等传统纺织材料；宽温区隔热：-20 ℃~140 ℃范围内均有优异隔热效果；3 层织物 140 ℃下，表面与热台温差达78.5 ℃；轻量化对比：2 层 PEAF 织物（厚 3.8 mm，重 294 mg）隔热效果优于 4 mm 厚丙烯酸织物（重 373 mg），实现更轻、更薄、更好隔热。
五、潜在应用
1. 极端环境个人热管理：极地探险、高寒户外作业、高空装备的保暖服装，轻质高效隔热。2. 特种防护纺织品：消防、高温作业防护服，兼具隔热与阻燃，提升高温环境安全性。3. 建筑与冷链保温：建筑柔性保温层、冷链物流缓冲衬垫，降低能耗。4. 深冷与航空航天：低温设备柔性隔热、航天器轻质保温构件。
六、结论与展望
该工作提出双尺度核壳结构增强策略，通过湿法纺丝、冷冻干燥与化学酰亚胺化包覆工艺，制备出 PI 包覆的 BNC/SA 生物质气凝胶纤维。微观 “蛋盒” 多孔芯与宏观致密 PI 壳协同，实现力学性能大幅提升，拉伸强度达 29.4 MPa，同时保留高孔隙、低热导、高阻燃特性。纤维可编织、耐弯折、耐深冷，织物热导率低至 0.033 W·m⁻¹·K⁻¹，LOI 达 33.5%。
该材料兼顾轻质、高强、隔热、阻燃，为下一代极端环境可穿戴热管理纺织品、特种防护装备提供了高性能材料方案，也为生物质气凝胶纤维的工程化应用提供了可行的增强路线。
图文解析
示意图1. PI 包覆纤维素基气凝胶纤维织物双尺度增强机理示意图。图1. PEAF 的结构与化学表征。图2. PEAF 的力学性能。图3. PEAF 的结构优化与环境稳定性。图4. PEAF 织物的阻燃、热稳定与隔热性能。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726100783
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