一种用于高性能保温的超薄气凝胶微/纳米纤维膜

来源 | ACS Nano

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背景介绍

在日常生活中，保持体温对人类的生存至关重要，特别是对于长时间暴露在寒冷和多风环境中的人，如高海拔地区的士兵和工人。如纤维、金属、气凝胶、泡沫等各种先进材料已被用于保温，防止人体的热量损失。特别是气凝胶，其热导率低至15 mW/mK，表现出优越的保温能力。这种优异的性能可归因于高孔隙率(>90%)、相互连接的多孔纳米结构和孔径低于气体分子的平均自由程。这些固有特性使气凝胶能够有效地防止热传递。

然而，零维气凝胶粉末具有固有的脆性和吸湿性缺点，限制了其可穿戴应用。相比之下，由天然纤维和合成纤维组成的纤维材料由于其理想的可穿戴性、可用性和可负担性而被广泛用于保暖。然而，商用纤维材料具有较大的孔径(通常>100 μm)和有限的孔隙率(通常<50%)，这使得它们无法通过限制气体分子的运动来抑制空气热传导这些固有的瓶颈严重阻碍了它们的隔热效果，从而限制了在极冷和多风环境下保持人体温度的能力。

减小纤维直径被认为有利于实现高孔隙率而孔径较小，从而通过减少对流扩散来约束更多的换热。静电纺丝作为最先进的微/纳米纤维制造方法，可以很容易地合成连续纤维膜，纤维直径变小，孔隙率增加，孔隙结构可调节，在高性能保温材料的制造中有前景。然而，目前的静电纺丝纤维仍然存在一些关键的限制，包括孔径不够小(通常>2μm)、孔隙度不够等因素极大地限制了材料的使用。因此，创造一种可行的和通用的策略来开发既有效的空气绝缘又具有动态耐磨性的保温材料面临巨大的挑战。

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成果掠影

近期，东华大学丁彬教授和张世超研究员团队针对开发具有优异保温性能的气凝胶纳米纤维膜取得最新进展。该文通过非均质静电纺丝和水分诱导溶液铸造相结合的策略来创建分层细胞结构的气凝胶微/纳米纤维膜(CAMMs)，以实现舒适的抗风保暖。这些纤维内的纳米孔具有纳米尺度的特征孔径(<66 nm)，可以通过Knudsen效应阻碍空气分子的运动和热传导，从而获得优异的保温性能(低导热系数为14.01 mW/mK)。此外，定制的封闭单元即使在高风速环境下也能有效地阻碍热对流，并提高机械性能(拉伸应力增加到3.4倍)。此外，所获得的膜具有令人满意的透湿性(水蒸气透过率为3.2 kg/m2day)和疏水性(水接触角为128°)，同时保持超薄厚度(~ 0.5 mm)。所有这些特性都源于纳米孔和控制良好的闭孔结构的协同作用。研究成果以“Ultrathin Aerogel Micro/Nanofiber Membranes with Hierarchical Cellular Architecture for High-Performance Warmth Retention”为题发表于《ACS Nano》。

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图文导读

图1. CAMMs的制造策略、结构和性能。

图2.纳米多孔纤维的设计与合成。

图3. 微观结构及其特性。

图4. CAMMs的保温性能。

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