高强度高韧性的透明芳纶纳米纤维气凝胶薄膜用于被动加热节能窗户

研究背景与目的

• 气凝胶节能玻璃能有效降低建筑能耗，但低透光性和弱机械性能限制了其在节能窗户中的应用。
• 本研究旨在设计并合成一种高强度、高韧性、透明的芳纶纳米纤维气凝胶薄膜，用于被动加热节能窗户。

研究方法与成果

1. 材料设计与合成
   • 采用纳米线域空间结构策略，首次制备了高度透明、机械性能强、能承受极端热性能的改性芳纶纳米纤维气凝胶。
   • 引入第三单体2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-5-胺（APBIA），键角为150°，以调节基于对苯二甲酰氯（TPC）和苯二胺（PDA）的传统对位芳纶的空间结构。
   • 所得聚（对苯二甲酰氯-共聚-苯二胺-共聚-2-(4-氨基苯基)-1H-苯并咪唑-5-胺）（PTPA）气凝胶呈纤维状，具有均匀的空间孔隙，允许光线穿过网络，表现出透明度。
2. 材料性能
   • PTPA气凝胶在780nm处的透光率为87.53%，红外区域透光率高达94.38%。
   • 分子链的交织和大量的分子间氢键极大地增强了气凝胶的机械性能，能承受超过自身重量30000倍的拉力。
   • 拉伸断裂率达到10.41%，是对位芳纶气凝胶的5.66倍；拉伸应力达到1.80MPa，是对位芳纶气凝胶的11.5倍；杨氏模量约为15.26MPa，是对位芳纶气凝胶的2.05倍。
   • 分解温度高于500°C，热导率为0.0368W m-1，具有多种耐极端环境性能，包括高隔热性、能承受极低液氮温度、良好的阻燃和自熄性。
3. 应用测试
   • 将PTPA气凝胶制成模型房屋窗户，测试其在冬季的被动加热热管理性能。
   • 结果显示，上午10点至下午4点期间，节能窗户的平均温度比普通玻璃房屋和室外温度分别高出4.01°C和7.01°C。
   • 节能性能计算结果显示，即使在中国最冷的省份黑龙江，PTPA气凝胶用于被动加热也能节省119.93 kWh m-2的CO2排放。

材料

• N-甲基吡咯烷酮（色谱级，阿拉丁试剂，中国）
• 无水乙醇（MOS，苏州晶协高科电子材料有限公司，中国）
• 无水氯化钙（AR级，国药集团化学试剂有限公司，中国）
• PDA（纯度97%，麦克林试剂，中国）
• APBIA（纯度99.99%，博德医药科技有限公司，中国）
• TPC（纯度99.99%，TCI，日本）

上述材料未经进一步纯化直接使用。其他所有化学品和溶剂均为分析纯试剂。

PTPA气凝胶的合成

为了获得PTPA，将第三种弯曲单体APBIA以不同的摩尔比引入TPC和PDA中进行缩聚反应。

以PTPA-2气凝胶为例的合成步骤：

1. 溶液配制：
   • 向三口烧瓶中加入100毫升N-甲基吡咯烷酮（NMP）和6克氯化钙（CaCl₂）。
2. 单体溶解：
   • 在氮气保护下，加入PDA（1.30克，12毫摩尔）和APBIA（1.79克，8毫摩尔），并使其溶解。
3. 聚合反应：
   • 在冰浴条件下，向混合物中加入TPC（4.12克，20.3毫摩尔），并聚合4小时。随着聚合时间的增加，溶液的粘度逐渐增大，形成改性芳纶纳米纤维溶胶。
4. 气凝胶制备：
   • 将改性芳纶纳米纤维溶胶的薄膜刮下，然后用乙醇进行置换，最后通过超临界液体交换干燥法获得改性芳纶纳米纤维气凝胶，即PTPA-2。

其他改性芳纶纳米纤维气凝胶的实验步骤相同，但实验比例不同。

• 实验比例详见支持信息中的表S1。
• 根据PDA与APBIA的投料摩尔比，所得的改性芳纶纤维分别命名为PTPA-0、PTPA-1、PTPA-2、PTPA-3、PTPA-4和PTPA-5。