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摘要 當(dāng)前保暖材料的發(fā)展方向是輕質(zhì)化和高效化。本文利用濕度誘導(dǎo)靜電紡絲技術(shù)制備出了一種低導(dǎo)熱、高儲熱的超輕超彈靜電紡纖維海綿。在本項(xiàng)工作中,通過濕氣誘導(dǎo)靜電紡絲和熱交聯(lián)技術(shù)在纖維內(nèi),將含有碳化鋯納米粒子(ZrC NPs)的纖維組裝成三維結(jié)構(gòu)并創(chuàng)建半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò) (semi-IPNs),獲得了一種用作新型保暖材料的超輕超彈性纖維海綿。所得海綿經(jīng)檢測表面具有高保溫能力和有效的光熱轉(zhuǎn)換性能。這項(xiàng)工作為開發(fā)用于個(gè)人防寒的高性能保暖材料提供了一種新方法。 關(guān)鍵詞 濕度誘導(dǎo);纖維海綿;靜電紡;保暖 高性能保暖材料是實(shí)現(xiàn)個(gè)體冷防護(hù)的有效途徑。目前市面上常用的纖維保暖材料主要包括天然纖維類(棉花、羊毛、羽絨等)和合成纖維類(超細(xì)纖維、中空纖維等),這些纖維的直徑均在10μm以上,為滿足極寒條件下的保暖需求,通常的方法是增加材料的重量和厚度,但同時(shí)會給穿著者尤其是作戰(zhàn)士兵造成不便。 目前,先進(jìn)的保暖材料已被科研人員所開發(fā),并吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛注意,如對織物進(jìn)行金屬化修飾,賦予材料高紅外反射性能以阻止人體輻射熱量大量耗散,但金屬層與皮膚接觸時(shí)產(chǎn)生的高導(dǎo)熱效應(yīng)會導(dǎo)致人體熱量快速傳導(dǎo)耗散,同時(shí)金屬層還存在價(jià)格昂貴的不足。此外,為拓展更多的應(yīng)用場景,電加熱保暖材料也被大量研究報(bào)道,但該類材料也面臨著能源消耗和安全性不足的缺陷。因此,開發(fā)出安全節(jié)能的輕質(zhì)高效保暖材料仍舊是當(dāng)前的一大挑戰(zhàn)。 最近東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士和丁彬研究員團(tuán)隊(duì)在Elsevier旗下的Composites Communications期刊發(fā)表了題為“Ultralight and superelastic fibrous sponges with effective heat preservation and photothermal conversion for personal cold protection”的研究論文。該論文通過利用濕度誘導(dǎo)靜電紡絲技術(shù)(即高濕度(~85%)下紡絲,在接收端纖維會形成絮狀堆積,形成三維蓬松的海綿狀納米纖維氈)制備出了一種低導(dǎo)熱、高儲熱的超輕超彈靜電紡纖維海綿。 該靜電紡纖維海綿的制備流程如圖1所示,首先開發(fā)出了一種單體預(yù)聚物/線性聚合物的雙組分溶液新配方,并將光熱轉(zhuǎn)化物質(zhì)碳化鋯納米顆粒引入溶液體系內(nèi),利用濕度誘導(dǎo)靜電紡絲技術(shù)一步制備出具有三維蓬松結(jié)構(gòu)的靜電紡纖維骨架,隨后對其進(jìn)行熱處理,使纖維內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以賦予材料良好的力學(xué)性能。 濕度誘導(dǎo)影響生成蓬松納米纖維過程如圖2所示,低濕度下得到的是致密的納米纖維膜,隨著濕度的升高,纖維膜逐漸變得蓬松,并在濕度為85%時(shí)達(dá)到最大。另外顯示濕度對納米纖維串珠形貌有顯著影響,表現(xiàn)為低濕度時(shí)纖維有較多串珠,隨著濕度的升高,纖維表面逐漸變得平滑。 所制備的靜電紡纖維海綿中的纖維平均直徑約為3μm,該材料在極低體積密度條件下(~2.8 mg/cm3)可獲得極低的導(dǎo)熱系數(shù)(~25.2 mW/m?K),與常溫常壓下的空氣導(dǎo)熱系數(shù)接近,表現(xiàn)出優(yōu)異的阻隔熱量散失的能力;同時(shí)在模擬太陽光的照射下,材料的表面溫度可以在30秒內(nèi)快速升溫至60.8℃,并最終穩(wěn)定在70.3℃,表現(xiàn)出高效的光熱轉(zhuǎn)化性能,說明材料還具有優(yōu)異的儲熱積極保暖功能。此外,該材料可承載10000倍自身重量下的大變形壓縮,并可以快速回復(fù)原來的形狀;同時(shí)在-100℃的低溫環(huán)境下,材料經(jīng)1000次循環(huán)壓縮(?=60%)后僅表現(xiàn)出極小的塑性形變,說明該材料具有優(yōu)異的低溫壓縮回彈性(圖3)。該纖維海綿優(yōu)異的綜合性能使其在耐極寒保暖材料領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。 近年來俞建勇院士和丁彬研究員團(tuán)隊(duì)在濕度誘導(dǎo)靜電紡絲技術(shù)制備三維納米纖維海綿吸音、保暖材料方面成果豐碩。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2019-2021年該團(tuán)隊(duì)已發(fā)表相關(guān)論文7篇,其中一區(qū)3篇,二區(qū)4篇,2021年上半年占5篇,累積IF 高達(dá)48.571 ??梢姖穸日T導(dǎo)靜電紡絲技術(shù)研究與應(yīng)用潛力逐漸顯現(xiàn)。相關(guān)文獻(xiàn)匯總?cè)缦拢陕?lián)系文末微信二維碼索取打包全文!): [1] Zz A , Hw B , Yang S , et al. Stretchable and resilient fibrous sponges tailored by interlocking double-network for warmth retention[J]. Composites Communications, 2021:100788. (Q2, IF=4.915(3年平均,下同)) [2] Hw A , Lei Z A , Yang S , et al. Ultralight and superelastic fibrous sponges with effective heat preservation and photo-thermal conversion for personal cold protection[J]. Composites Communications, 2021. (Q2, IF=4.915) [3] Wu H , Zhao L , Zhang S , et al. Ultralight and Mechanically Robust Fibrous Sponges Tailored by Semi-Interpenetrating Polymer Networks for Warmth Retention[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021. (Q1, IF=8.437) [4] Yf A, Dz B, Yh A, et al. Gradient structured micro/nanofibrous sponges with superior compressibility and stretchability for broadband sound absorption[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 593:59-66. (Q2, IF=6.314) [5] Zhao L , Wu H , Jiao W , et al. Superelastic, lightweight, and flame-retardant 3D fibrous sponge fabricated by one-step electrospinning for heat retention[J]. Composites Communications,2021:100681. (Q2, IF=4.915) [6] D Zong, L Cao, Y Li, et al.Interlocked Dual‐Network and Superelastic Electrospun Fibrous Sponges for Efficient Low‐Frequency Noise Absorption[J]. Small Structures, 2020. (新刊,參考Small, Q1,IF=10.638) [7]Leitao, Cao, Yang, et al. Ultralight and Resilient Electrospun Fiber Sponge with a Lamellar Corrugated Microstructure for Effective Low-Frequency Sound Absorption.[J]. ACS applied materials & interfaces, 2019, 11(38):35333-35342. (Q1, IF=8.437) 環(huán)境溫濕度的精確調(diào)控是濕度誘導(dǎo)靜電紡絲實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。
標(biāo)題:濕度誘導(dǎo)靜電紡纖維海綿應(yīng)用于高性能保暖材料
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