东华大学侯成义研究员团队：二氧化钛涂覆 PBO/CNT 气凝胶纤维的制备及其抗紫外老化
引文格式
丁菁, 侯成义. 二氧化钛涂覆 PBO/CNT 气凝胶纤维的制备及其抗紫外老化性能研究[J]. 纺织工程学报, 2026, 4 (1): 54-62、96.
DING Jing, HOU Chengyi. Preparation of titanium dioxide-coated PBO/CNT aerogel fibers and investigation of their UV aging resistance[J]. Journal of Advanced Textile Engineering, 2026, 4 (1): 54-62, 96.
研究背景
聚对撑苯并二噁唑(PBO)纤维以其5.8 GPa的拉伸强度和超650℃的分解温度，被誉为“超级纤维”，在航天器减速伞、深空探测装备等极端环境领域发挥着不可替代的作用。近年来，将碳纳米管(CNT)引入PBO基体构建的复合气凝胶纤维，不仅继承了PBO的超高性能，更通过CNT协同作用实现了导电性与力学韧性的双重提升，成为先进纺织材料的研究热点。
然而，PBO分子链中高度共轭的苯并噁唑结构对紫外光极为敏感。未经保护的PBO纤维在户外光照6个月后强度损失高达65%以上，这一固有缺陷严重制约了PBO/CNT气凝胶纤维在户外长期服役场景下的可靠性。
鉴于此，东华大学侯成义团队在《纺织工程学报》发表了题为“二氧化钛涂覆PBO/CNT气凝胶纤维的制备及其抗紫外老化性能研究”的论文，通过浸涂法在PBO/CNT气凝胶纤维表面构筑TiO₂纳米涂层，成功开发出兼具优异力学性能和抗紫外老化能力的TiO₂@PBO/CNT复合纤维，为高性能气凝胶纤维的户外长效服役提供了新策略。
图1 TiO₂@PBO/CNT气凝胶纤维制备及抗紫外机理示意图
文章亮点
1.“反射-吸收”双重抗紫外机制：锐钛矿相TiO₂纳米涂层通过紫外光反射散射与本征吸收双重机制，高效阻断紫外辐射对PBO分子链的攻击。
2.性能协同提升：20 wt% TiO₂涂层使纤维原始拉伸强度提升111.54%，经288 h紫外辐照后强度保持率达79.39%，较未涂层纤维提升16.57%。
3.导电功能保持：TiO₂涂层与等离子体处理的协同作用意外提升了纤维导电性，电导率由18.69 S/cm提升最高至44.44 S/cm，紫外老化后进一步上升。
文章内容
针对PBO纤维在紫外环境下易发生光氧化降解的关键问题，本研究通过浸涂法在PBO/CNT气凝胶纤维表面构筑TiO₂纳米涂层，系统研究了不同TiO₂浓度(10–30 wt%)涂层对纤维结构、力学性能及紫外老化行为的影响。
PBO/CNT气凝胶纤维的紫外老化机制
研究首先揭示了PBO/CNT气凝胶纤维的本征紫外老化机制。紫外老化288 h后，纤维表面出现细微横向裂缝和纵向褶皱，三维网络结构暴露。红外光谱分析表明，随着辐照时间延长，1610 cm-1处C=N键和1490 cm-1处C-N键吸收峰强度逐渐减弱，证实噁唑环发生光致开环反应；同时苯环峰及C-O-C键吸收峰显著弱化，表明主链断裂及芳香环氧化。这些分子层面的损伤导致了纤维宏观力学性能的快速下降。
图2 紫外老化前后的PBO/CNT气凝胶纤维的性能表征 (a,b)PBO/CNT气凝胶纤维的SEM图；(c,d)紫外光照射288 h后的PBO/CNT气凝胶纤维的SEM图；(e)全紫外波段下的PBO/CNT气凝胶纤维吸收曲线；(f,g)不同紫外光辐照时间下(0-288h)的PBO/CNT气凝胶纤维的红外光谱图
TiO₂@PBO/CNT复合纤维的结构与性能
通过等离子体处理在PBO/CNT纤维表面引入羟基极性基团，显著增强了TiO₂与基体的结合性能。红外光谱显示，所有TiO₂涂覆样品均在610 cm-1附近出现Ti-O-Ti伸缩振动峰，其中20 wt% TiO₂改性纤维(20-T-PBO/CNT)呈现尖锐强峰，对应高度有序的Ti-O网络。XRD分析确认TiO₂为锐钛矿相，20-T-PBO/CNT的(101)晶面衍射强度最高，表明其结晶度最优。SEM观察显示，20 wt% TiO₂在纤维表面形成连续致密的包覆层。
图3 TiO₂@PBO/CNT气凝胶纤维表征及形貌分析 (a) n-T-PBO/CNT气凝胶纤维的红外光谱图；(b) n-T-PBO/CNT气凝胶纤维XRD谱图；(c,d)TiO₂@PBO/CNT气凝胶纤维的SEM图；(e,f)紫外光照射288 h后的TiO₂@PBO/CNT气凝胶纤维的SEM图
抗紫外性能与力学性能评估
紫外老化测试表明，20-T-PBO/CNT展现出最优异的抗紫外性能。经288 h紫外辐照后，其拉伸强度保持率达79.39%，显著高于未涂层纤维的72.82%和10 wt%涂覆纤维的51.11%。这一性能源于两方面机制：TiO₂纳米层通过“反射-吸收”双重机制阻断紫外辐射；致密堆积的TiO₂颗粒物理阻隔环境中的氧气与水蒸气渗透，抑制活性氧自由基对PBO分子链的攻击。
值得注意的是，TiO₂涂层不仅未降低纤维导电性，反而使电导率由18.69 S/cm提升最高至44.44 S/cm。紫外老化后，所有样品的电导率均进一步上升，这归因于锐钛矿相TiO₂与CNT接触时发生的界面电荷转移，形成局域导电通道。
结论展望
本研究成功开发了TiO₂@PBO/CNT抗紫外气凝胶纤维，主要结论如下：
揭示老化机制：PBO/CNT气凝胶纤维的紫外老化源于噁唑环开环及PBO分子链断裂，导致分子量降低与表层破坏，引发强度快速下降。
实现性能协同：20 wt% TiO₂改性纤维形成均匀锐钛矿晶型包覆层，通过等离子体处理增强界面结合，拉伸强度较未处理纤维提升111.54%。
双重防护机制：TiO₂涂层通过“反射-吸收”双重机制阻断紫外辐射，将288 h辐照后的强度保持率提升至79.39%，展现出优异的抗紫外耐久性。
本研究为高性能气凝胶纤维的户外长效服役提供了理论支撑与技术路径。未来工作将聚焦于TiO₂涂层与纤维界面的进一步优化，探索其在航天器防护、户外装备等极端环境下的实际应用潜力。
