來源 | ACS Nano

01

背景介紹

在日常生活中，保持體溫對人類的生存至關重要，特別是對于長時間暴露在寒冷和多風環境中的人，如高海拔地區的士兵和工人。如纖維、金屬、氣凝膠、泡沫等各種先進材料已被用于保溫，防止人體的熱量損失。特別是氣凝膠，其熱導率低至15 mW/mK，表現出優越的保溫能力。這種優異的性能可歸因于高孔隙率(>90%)、相互連接的多孔納米結構和孔徑低于氣體分子的平均自由程。這些固有特性使氣凝膠能夠有效地防止熱傳遞。

然而，零維氣凝膠粉末具有固有的脆性和吸濕性缺點，限制了其可穿戴應用。相比之下，由天然纖維和合成纖維組成的纖維材料由于其理想的可穿戴性、可用性和可負擔性而被廣泛用于保暖。然而，商用纖維材料具有較大的孔徑(通常>100 μm)和有限的孔隙率(通常<50%)，這使得它們無法通過限制氣體分子的運動來抑制空氣熱傳導這些固有的瓶頸嚴重阻礙了它們的隔熱效果，從而限制了在極冷和多風環境下保持人體溫度的能力。

減小纖維直徑被認為有利于實現高孔隙率而孔徑較小，從而通過減少對流擴散來約束更多的換熱。靜電紡絲作為最先進的微/納米纖維制造方法，可以很容易地合成連續纖維膜，纖維直徑變小，孔隙率增加，孔隙結構可調節，在高性能保溫材料的制造中有前景。然而，目前的靜電紡絲纖維仍然存在一些關鍵的限制，包括孔徑不夠小(通常>2μm)、孔隙度不夠等因素極大地限制了材料的使用。因此，創造一種可行的和通用的策略來開發既有效的空氣絕緣又具有動態耐磨性的保溫材料面臨巨大的挑戰。

02

成果掠影

近期，東華大學丁彬教授和張世超研究員團隊針對開發具有優異保溫性能的氣凝膠納米纖維膜取得最新進展。該文通過非均質靜電紡絲和水分誘導溶液鑄造相結合的策略來創建分層細胞結構的氣凝膠微/納米纖維膜(CAMMs)，以實現舒適的抗風保暖。這些纖維內的納米孔具有納米尺度的特征孔徑(<66 nm)，可以通過Knudsen效應阻礙空氣分子的運動和熱傳導，從而獲得優異的保溫性能(低導熱系數為14.01 mW/mK)。此外，定制的封閉單元即使在高風速環境下也能有效地阻礙熱對流，并提高機械性能(拉伸應力增加到3.4倍)。此外，所獲得的膜具有令人滿意的透濕性(水蒸氣透過率為3.2 kg/m2day)和疏水性(水接觸角為128°)，同時保持超薄厚度(~ 0.5 mm)。所有這些特性都源于納米孔和控制良好的閉孔結構的協同作用。研究成果以“Ultrathin Aerogel Micro/Nanofiber Membranes with Hierarchical Cellular Architecture for High-Performance Warmth Retention”為題發表于《ACS Nano》。

03

圖文導讀

圖1. CAMMs的制造策略、結構和性能。

圖2.納米多孔纖維的設計與合成。

圖3. 微觀結構及其特性。

圖4. CAMMs的保溫性能。

END

★ 平臺聲明

部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。歡迎參與投稿分享！