随着全球能源危机和碳排放问题日益严峻，建筑节能、工业隔热和可穿戴热管理等领域的高效热绝缘材料需求急剧增长。理想的隔热材料应同时具备超低热导率、超轻质、良好的机械柔韧性和阻燃安全性。静电纺丝纳米纤维因其直径细（纳米级）、比表面积大、孔隙率高等特点，可有效限制空气对流和固体热传导，是制备高性能隔热材料的理想构筑单元。然而，传统静电纺丝主要制备二维纳米纤维膜，难以实现三维厚层隔热结构的快速、规模化构建；且单一聚合物纳米纤维的隔热性能和力学柔性往往难以兼顾。
本文，东华大学丁彬教授团队在《ACS Applied Nano Materials》期刊发表题为”Lightweight PAN/TPU/Graphene Nanofiber Sponges via Solution Air-Assisted Electrospinning for Thermal Insulation”的研究论文。研究提出了一种溶液辅助气流静电纺丝新技术，以聚丙烯腈（PAN）和热塑性聚氨酯（TPU）为聚合物基体、石墨烯纳米片为功能填料，一步法快速构筑了三维轻质纳米纤维海绵（PAN/TPU/Graphene NFS）。
该策略的核心创新在于：
- 气流辅助显著提升纳米纤维的沉积效率和三维堆积能力，实现海绵的快速成型与可控厚度；
- PAN提供刚性骨架，赋予海绵结构稳定性和热稳定性；
- TPU提供弹性网络，赋予海绵优异的压缩回弹性和柔韧性；
- 石墨烯纳米片在纤维中均匀分散，利用其超高比表面积和红外反射/散射效应，进一步阻断固态热传导和辐射热传递，协同降低热导率。
所得纳米纤维海绵兼具超低热导率、超轻质、优异压缩回弹性和阻燃特性，在建筑隔热、管道保温、可穿戴热防护等领域展现出广阔应用前景。
综上所述，本研究开发了一种具有辐射发热功能的轻质、卷曲且力学性能优良的纳米纤维保温海绵，该材料能够高效地转换光能和热能，从而实现多功能的保温和蓄热性能。在高湿度条件下进行静电/气流纺丝时，通过纺丝喷嘴诱导相分离，从而在纤维结构上实现了高孔隙率。石墨烯的掺入赋予了该材料更优异的光热转换功能和抗菌性能。在模拟日光条件下，其温度在5分钟内升至52.6 °C。与其他保温材料相比，PNFS-C的体积密度更低（4.01 mg cm–3），热导率为27.85 mW m–1K–1。此外，该材料还展现出优异的力学性能。重量仅为0.07克的海绵可轻松托起500克重物而不破裂，并在液氮环境（-196 °C）中表现出卓越的弹性。在经历800次拉伸和压缩循环后，其抗疲劳性能依然出色。与此同时，PNFS-C纳米海绵还具备抗菌性能和疏水性能等其他优异特性。这些结果表明，PNFS-C可能为下一代先进热管理材料的开发提供新的解决方案。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.6c01009
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