给“兔毛”镀“金”,复合纤维隔热又耐用

研究团队发现,仅需简单浸渍,仿兔毛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;聚酰亚胺薄层则赋予了二氧化硅/聚酰亚胺复合纳米纤维良好的力学性能。

皮毛是哺乳动物适应环境温度的秘密武器。比如兔毛之类的天然纤维,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。

从浙江理工大学获悉,该校傅雅琴教授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,这一复合纤维制成的纤维膜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,且质轻、可防火,具有广泛的应用前景。相关研究论文在线发表于国际期刊《复合材料B:工程》。

用二氧化硅仿出兔毛竹节结构

用光学显微镜观察兔毛,可见其内部呈规则的、竹节形状的空心结构,结构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副教授司银松介绍,“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,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。

二氧化硅是陶瓷纤维的组成成分之一。该团队获得的仿兔毛二氧化硅纳米纤维属于无机陶瓷纳米纤维。无机陶瓷纳米纤维因其重量轻、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,无机陶瓷纳米纤维普遍很脆,其薄膜的拉伸强度通常较低,这严重限制了其广泛应用。

“在无机陶瓷纳米纤维中引入空心结构或多孔纳米颗粒,其制备的纤维膜可能会更脆。”司银松说,如何既提升无机陶瓷纳米纤维的隔热性,又不失柔韧性,是本次研究的关键,颇具挑战性。

添加“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、激光等领域均有应用,其制成的薄膜有“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,仿兔毛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;聚酰亚胺薄层则赋予了二氧化硅/聚酰亚胺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2万次动态弯曲循环,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纳米纤维膜中形成的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,受到拉拽时很多根纤维同时受力,从而使得整体强度得到了提高。

此外,二氧化硅/聚酰亚胺复合纳米纤维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。

  
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单髓腔结构的二氧化硅/聚酰亚胺复合纳米纤维在这些方面就具有很大优势。接下来,团队将提升这一复合纳米纤维的制备效率,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。

By zeng