给“兔毛”镀层“金” 复合纳米纤维隔热又耐用
发布时间:2023-02-13 09:43:26 文章来源:科技日报
给“兔毛”镀层“金”复合纳米纤维隔热又耐用

皮毛是哺乳动物适应环境温度的秘密武器。比如兔毛和北极熊毛之类的天然纤维,具有优异的隔热性能、弹性和其他机械性能,其隔热功能主要来源于其特殊的空心结构或多孔结构。


(相关资料图)

近日,国际期刊《复合材料B:工程》在线发表了浙江理工大学傅雅琴教授团队的研究成果。该团队通过静电纺丝和浸渍工艺,制备出具有仿兔毛单髓腔结构的二氧化硅/聚酰亚胺复合纳米纤维。实验证明,这一复合纤维克服了纯二氧化硅纤维膜拉伸强度低和耐用性较差的缺点,还具备质轻、防火等性能,具有广泛的应用前景。

用二氧化硅纺出竹节结构

用光学透射显微镜观察兔毛,可见其内部呈规则的、竹节形状的空心结构。这一结构下的兔毛,内部密封了大量的静止空气。静止空气分子的自由运动受到限制,使得兔毛沿径向具有很低的导热系数。

“通过静电纺丝获得的二氧化硅纳米纤维,具有良好的隔热性能,在高温下稳定性好,无毒,制备原料也廉价。”论文通讯作者、浙江理工大学材料科学与工程学院司银松副教授介绍,“基于前期的研究,我们想到在空心二氧化硅纳米纤维中再嵌入空心二氧化硅微球,来模拟兔毛内部结构,进一步改善隔热性能,这要用到同轴静电纺丝技术。”

他解释道,同轴静电纺丝技术“粗中有细”,好比制作夹心棒,是在两个内径不同但同轴的细管中分别注入芯层和壳层纺丝液,二者在喷头末端汇合,在电场力的作用下溶剂快速挥发、溶质逐渐被牵伸拉长成为纳米纤维。

聚乙烯醇(PVA)是纺纱工艺中的常见原料,其溶液有很好的黏接性和成膜性。此次研究中,该团队将PVA溶液和二氧化硅空心微球作为芯层纺丝液,PVA与二氧化硅小分子溶胶作为壳层纺丝液,经过同轴静电纺丝,再经过烘干、煅烧,就制成了内部呈竹节状空心结构的仿兔毛二氧化硅纳米纤维。

无机陶瓷纳米纤维材料因其重量轻、不燃、耐火、耐腐蚀、隔热性能优异等特点,被认为是航空航天、建筑、工业管道、耐火服等领域极具潜力的隔热材料之一。然而,无机陶瓷纤维普遍很脆,其薄膜的拉伸强度通常较低,这严重限制了其广泛应用。

“在无机纳米纤维中引入空心结构或多孔纳米颗粒,其纤维膜可能会更脆。”司银松说,如何既提升隔热性,又不失柔韧性,是本次研究的关键,也很具挑战性。

“多面手”材料提升力学性能

聚酰亚胺被称为高分子材料中的“多面手”,在航空、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域均有所应用,其薄膜有“黄金薄膜”之称。

司银松说,聚酰亚胺具有优异的热稳定性、耐化学性和优异的力学性能。理论上,竹节状空心结构和聚酰亚胺薄层的协同效应可以克服无机纳米纤维的脆性,同时不显著降低其整体热稳定性和隔热性能。

研究团队发现,仅需简单浸渍,兔毛状的二氧化硅纳米纤维表面被附上聚酰亚胺薄层后,竹节形状的空心结构可以使纤维内部保持大量的静止空气,有利于隔热;聚酰亚胺薄层赋予了复合纳米纤维良好的力学性能。

根据实验数据,二氧化硅/聚酰亚胺复合纳米纤维膜的拉伸强度可达19.7兆帕,约为浸渍前的10.1倍;经过20000次动态弯曲循环,没有表现出明显的损伤;可以承受至少500次摩擦循环,表现出良好的耐久性。

“这些出色的特性主要归因于复合纤维膜中形成的3D网络结构以及对单根二氧化硅纳米纤维的浸渍增强效应。”司银松说,从宏观角度而言,这一复合纳米纤维的强度还取决于纤维与纤维之间的相互作用力。聚酰亚胺的涂覆,使得纤维在交结处能更好地黏结起来,受到拉拽时就有很多根纤维同时受力,整体强度就高。

此外,二氧化硅/聚酰亚胺复合纳米纤维膜的导热系数远低于天然兔毛的导热系数,弯曲刚度则明显低于普通A4打印纸,这为开发实用的耐久隔热材料提供了一种简单的策略。

司银松表示,高精仪器、航天运输、消防安全等领域,普遍需要隔热、轻质、防火等综合性能更优的隔热材料,该研究得到的仿兔毛结构二氧化硅/聚酰亚胺复合纳米纤维在这方面就具有很大优势。接下来,团队将提升这一复合纤维的制备效率,结合减少能源浪费、防止热损伤、减轻设备重量/占用体积、提高穿戴舒适性等具体需求,逐步开展成果转化。

关键词:

乐活HOT

  • 四川正式启动三级保供电调控措施保障民生用电 优化各类电源发电计划
    四川正式启动三级保供电调控措施

    继8月11日、14日连续两次召开电力保供工作紧急视频会议后,8月15日,四川再次召开电力保供调度会。记者从会上获悉,预计全省最大用电负荷将

  • 前7月四川能源项目累计完成投资493亿元 油气类项目完成投资159亿元
    前7月四川能源项目累计完成投资4

    今年以来,四川积极扩大能源领域有效投资,前7月能源项目累计完成投资493亿元、同比增长4%。8月15日,省能源局相关负责人介绍,前7月煤炭类

  • 四川加力加劲坚决遏制事故多发频发态势 有效提升预报预警水平
    四川加力加劲坚决遏制事故多发频

    8月15日,全省防汛减灾、森林草原防灭火工作电视电话会议召开,深刻汲取彭州8·13山洪灾害教训,分析研判当前形势,安排部署下一步重点工作

  • 四川攀枝花推动打造职业能力建设工作品牌 提供人才广阔展示舞台
    四川攀枝花推动打造职业能力建设

    8月9日,攀枝花技师学院实习工厂里,焊花四溅,机器声此起彼伏。身穿工作服的教师周树春,在一间间操作室里进进出出,指导学生们焊接。过去

  • 上半年湖南物流需求平稳增长行业运行平稳 快递业务量完成10.3亿件
    上半年湖南物流需求平稳增长行业

    记者从省发改委获悉,上半年全省物流需求平稳增长,行业运行总体平稳。全省社会物流总额64096 2亿元,同比增长4 4%;全省物流业总收入为2270

  • 湖南各地工业企业忙生产全力以赴稳增长 生产线全力运转
    湖南各地工业企业忙生产全力以赴

    在全球最大地下工程装备制造基地,掘进机生产计划已排到年底;千亿级工程机械产业园区边建设边生产,打造智能制造标杆……时已立秋,三湘大

  • 江西赣州医疗卫生服务体系进一步完善 完善“三医”联动机制
    江西赣州医疗卫生服务体系进一步

    上犹县水岩乡卫生院医生蔡昌才驱车前往金盆村为村民骆运招治病。以往,每月去医院就诊不仅路途远,还要排队。这几年有了家庭医生后,直接送

  • 江西坚持问题导向推进药品安全专项整治走深走实 持续完善投诉举报渠道
    江西坚持问题导向推进药品安全专

    今年2月以来,省药监局深入开展药品安全专项整治行动,坚持问题导向,以严厉打击违法犯罪行为、全面排查风险隐患为手段,推进专项整治行动

  • 江西九江多举措为创业者营造良好创业贷款环境 就业创业事项一次性办
    江西九江多举措为创业者营造良好

    没想到,现在直接在窗口就能办理,真是太方便了。蒋琼在九江市经营一家造型工作室,近期有意扩大生意规模,需要资金周转。她带齐资料来到九

  • 上半年江西新余全市外贸进出口总值同比增长84.3% 外贸主体活力持续激发
    上半年江西新余全市外贸进出口总

    记者从新余海关获悉,今年上半年,新余市外贸取得了较好成绩,全市外贸进出口总值184 3亿元,同比增长84 3%,高出全国平均水平74 9个百分点

  • 南昌高新区多举措推动重点项目建设加速跑 完善重大重点项目推进机制
    南昌高新区多举措推动重点项目建

    作为南昌市第二季度集中开工的重大项目之一,南昌数谷产业园项目总投资100亿元,计划2024年5月完工交付使用,拟引进字节跳动、华为(南昌)工

  • 安徽淮南颁发优才卡落实高层次人才服务保障制度
    安徽淮南颁发优才卡落实高层次人

    淮南市向中国工程院院士、安徽理工大学校长袁亮颁发了第一张淮南市高层次人才优才卡。为深化我为人才办实事实践活动,落实高层次人才服务保

  • 宿州市埇桥区细化工作举措筑牢防汛“安全堤”
    宿州市埇桥区细化工作举措筑牢防

    连日来,宿州市埇桥区不断细化各项工作举措,压实防汛各项责任,提升应急救援保障能力,筑牢防汛安全堤。目前,该区防汛物资已储备到位,全

  • 安徽无为市“交地即交证”优化营商环境政策正式落地
    安徽无为市“交地即交证”优化营

    近日,无为市自然资源和规划局、无为市福渡镇人民政府在无为润峰中海置业有限公司项目部现场举行交地即交证颁证仪式,标志该市交地即交证优

  • 安徽全椒县推动农村寄宿制学校试点工作
    安徽全椒县推动农村寄宿制学校试

    设施齐全的卫生食堂、水冲式的独立卫生间、楼道墙体粉刷一新的宿舍……走进安徽省全椒县武岗学校,已经运行满一年的农村特色寄宿制学校成果

娱乐LOVE