一种中空气凝胶纤维及其常温常压下制备方法

本发明涉及一种气凝胶纤维制备技术,属于气凝胶纤维。

背景技术：

1、气凝胶纤维是相对于气凝胶块体和薄膜而言的，纤维的优势是具备一定的柔性和可编织性，已经收到越来越多的重视。它具有丰富的孔隙，可以捕获大量空气，有效抑制热传导、热对流和热辐射，所以气凝胶纤维包括其纺织品，近年来引起了人们的极大关注。研究人员开发了各种制备气凝胶纤维的策略，如模板法、纺丝法和新兴的冷冻纺丝法。尽管如此，目前的气凝胶纤维制备工艺要么难以实现连续高效的生产，要么往往涉及冷冻干燥或超临界干燥等能源密集且耗时的步骤，从而限制了其实际应用。在气凝胶的制备过程中，常用冷冻干燥和超临界干燥，这是形成和保存多孔结构的有效方法，因为它们显著减轻了表面张力的影响，促进了多孔气凝胶的生产。然而，这两种干燥方法既耗时又耗能。考虑到气凝胶纤维的巨大潜在应用价值，迫切需要开发一种连续、高效、低能耗的制备方法。本发明基于湿法纺丝，利用聚合物的非溶剂相分离实现连续纤维生产，在非溶剂相分离过程中，聚合物皮层下形成多孔结构，在这项研究中，利用同轴针头在纤维内部额外的引入一个相分离界面，聚合物/溶剂溶液作为外层，非溶剂作为内层芯液，使用同轴针将它们一同挤出到凝固浴中。瞬时和延迟相分离的综合作用导致在室温下在纤维内部形成紧凑的多级多孔结构，消除了对冷冻干燥或超临界干燥等额外过程的需要。此外，该工艺的特点是简单快捷，能够以高产率连续生产气凝胶纤维。气凝胶纤维具有低密度和高孔隙率，可以编织成纺织品用于人体热管理。此外，通过采用简单的堆叠和组装技术，它们可以用于建筑物和日常生活中的隔热。这种方法具有连续性和高效性，为各种应用提供了可持续的途径。

技术实现思路

1、技术问题：

2、本发明的目的是提供一种中空气凝胶纤维及其常温常压下制备方法，能耗小，速度快，环境友好，利用非溶剂相分离产生的密集孔洞来包裹空气层，制备气凝胶纤维，实现其可穿戴和隔热的应用，有着极大的工业生产潜力。

3、技术方案：

4、本发明的技术方案是：一种中空气凝胶纤维，在常温常压下，通过纤维内外同步发生非溶剂相分离制备得到具有多孔气凝胶结构的中空纤维，采用同轴挤出设备，内芯使用非溶剂芯液，外层使用聚合物/溶剂溶液，随后同时注射到凝固浴中凝固成型，烘干后得到。

5、所述的聚合物为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚氨酯中的一种或几种。

6、所述的溶剂为；聚丙烯腈对应n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺中的一种或几种，聚偏氟乙烯对应n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或几种，聚氨酯对应丙酮、丁酮、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或几种。

7、所述的聚合物/溶剂溶液的浓度为质量分数10％～40％。

8、所述的非溶剂芯液为乙醇、水或乙醇与水以任意比例混合。

9、所述的凝固浴为乙醇、水或乙醇与水以任意比例混合。

10、常温常压制备所述的中空气凝胶纤维的方法，包括以下步骤：

11、步骤1，将聚合物溶于对应溶剂中，得到均匀的聚合物/溶剂溶液；

12、步骤2，利用挤出装置将聚合物/溶剂溶液输入同轴针头的外层，将非溶剂芯液输入同轴针头的内层，随后一同注射到凝固浴中；

13、步骤3，纤维在凝固浴中成型，收集凝固浴中的纤维，烘干后，即得到中空气凝胶纤维。

14、所述的同轴针头的尺寸要求为，外层针头内径大于内层针头外径，且外层针头内径小于或等于2.2mm。

15、所述的内层挤出速度为0.05ml/min～0.5ml/min，将外层挤出面积与内层挤出面积比值定义为系数a，则外层的挤出速度为内层挤出速度×a×(0.5～1)。

16、所述的凝固浴的温度为常温，所述的纤维的干燥环境为常温常压。

17、有益效果：

18、本发明的制备方法条件温和、过程简单，与传统的冷冻干燥方法相比，大大节约了化石能源；利用同轴针头，在纤维内部插入非溶剂芯液，利用双向相分离所产生的多孔结构，在常温常压下制备了中空多孔气凝胶纤维，得到的气凝胶纤维具有优秀的柔性和隔热性能，在工业保温，交通运输，航空航天，建筑保温等领域有着重要的应用价值和前景。

技术特征：

1.一种中空气凝胶纤维，其特征在于，在常温常压下，通过纤维内外同步发生非溶剂相分离制备得到具有多孔气凝胶结构的中空纤维，采用同轴挤出设备，内芯使用非溶剂芯液，外层使用聚合物/溶剂溶液，随后同时注射到凝固浴中凝固成型，烘干后得到。

2.根据权利要求1所述的中空气凝胶纤维，其特征在于：所述的聚合物为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚氨酯中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的中空气凝胶纤维，其特征在于：所述的溶剂为；聚丙烯腈对应n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺中的一种或几种，聚偏氟乙烯对应n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或几种，聚氨酯对应丙酮、丁酮、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的中空气凝胶纤维，其特征在于：所述的聚合物/溶剂溶液的浓度为质量分数10％～40％。

5.根据权利要求1所述的中空气凝胶纤维，其特征在于：所述的非溶剂芯液为乙醇、水或乙醇与水以任意比例混合。

6.根据权利要求1所述的中空气凝胶纤维，其特征在于：所述的凝固浴为乙醇、水或乙醇与水以任意比例混合。

7.常温常压制备权利要求1～6任一所述的中空气凝胶纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的常温常压制备中空气凝胶纤维的方法，其特征在于：所述的同轴针头的尺寸要求为，外层针头内径大于内层针头外径，且外层针头内径小于或等于2.2mm。

9.根据权利要求7所述的常温常压制备中空气凝胶纤维的方法，其特征在于：所述的内层挤出速度为0.05ml/min～0.5ml/min，将外层挤出面积与内层挤出面积比值定义为系数a，则外层的挤出速度为内层挤出速度×a×(0.5～1)。

10.根据权利要求7所述的常温常压制备中空气凝胶纤维的方法，其特征在于：所述的凝固浴的温度为常温，所述的纤维的干燥环境为常温常压。

技术总结本发明公开了一种中空气凝胶纤维及其常温常压下制备方法，包括以下步骤：首先将聚合物溶于其溶剂中，得到均匀的聚合物/溶剂溶液。随后利用挤出装置将聚合物/溶剂溶液输入同轴针头的外层，将非溶剂芯液输入同轴针头的内层，随后一同注射到凝固浴中。最后纤维在凝固浴中成型，收集凝固浴中的纤维，在常温常压下烘干，即得到中空气凝胶纤维。本发明在常温常压下通过纤维内外同步发生非溶剂相分离，制备了具有多孔气凝胶结构的中空纤维，纤维具备很好的柔性和热绝缘性，促进了气凝胶纤维在热管理领域的工程应用。技术研发人员：孙立涛,申佳欣,毕恒昌,尹奎波受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5