用二氧化硅/聚酰亞胺復(fù)合納米纖維紡成的纖維膜?？蒲袌F(tuán)隊(duì)供圖

皮毛是哺乳動(dòng)物適應(yīng)環(huán)境溫度的秘密武器。比如兔毛和北極熊毛之類(lèi)的天然纖維，具有優(yōu)異的隔熱性能、彈性和其他機(jī)械性能，其隔熱功能主要來(lái)源于其特殊的空心結(jié)構(gòu)或多孔結(jié)構(gòu)。

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近日，國(guó)際期刊《復(fù)合材料B：工程》在線發(fā)表了浙江理工大學(xué)傅雅琴教授團(tuán)隊(duì)的研究成果。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)靜電紡絲和浸漬工藝，制備出具有仿兔毛單髓腔結(jié)構(gòu)的二氧化硅/聚酰亞胺復(fù)合納米纖維。實(shí)驗(yàn)證明，這一復(fù)合纖維克服了純二氧化硅纖維膜拉伸強(qiáng)度低和耐用性較差的缺點(diǎn)，還具備質(zhì)輕、防火等性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。

用二氧化硅紡出竹節(jié)結(jié)構(gòu)

用光學(xué)透射顯微鏡觀察兔毛，可見(jiàn)其內(nèi)部呈規(guī)則的、竹節(jié)形狀的空心結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)下的兔毛，內(nèi)部密封了大量的靜止空氣。靜止空氣分子的自由運(yùn)動(dòng)受到限制，使得兔毛沿徑向具有很低的導(dǎo)熱系數(shù)。

“通過(guò)靜電紡絲獲得的二氧化硅納米纖維，具有良好的隔熱性能，在高溫下穩(wěn)定性好，無(wú)毒，制備原料也廉價(jià)。”論文通訊作者、浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院司銀松副教授介紹，“基于前期的研究，我們想到在空心二氧化硅納米纖維中再嵌入空心二氧化硅微球，來(lái)模擬兔毛內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善隔熱性能，這要用到同軸靜電紡絲技術(shù)?！?/p>

他解釋道，同軸靜電紡絲技術(shù)“粗中有細(xì)”，好比制作夾心棒，是在兩個(gè)內(nèi)徑不同但同軸的細(xì)管中分別注入芯層和殼層紡絲液，二者在噴頭末端匯合，在電場(chǎng)力的作用下溶劑快速揮發(fā)、溶質(zhì)逐漸被牽伸拉長(zhǎng)成為納米纖維。

聚乙烯醇(PVA)是紡紗工藝中的常見(jiàn)原料，其溶液有很好的黏接性和成膜性。此次研究中，該團(tuán)隊(duì)將PVA溶液和二氧化硅空心微球作為芯層紡絲液，PVA與二氧化硅小分子溶膠作為殼層紡絲液，經(jīng)過(guò)同軸靜電紡絲，再經(jīng)過(guò)烘干、煅燒，就制成了內(nèi)部呈竹節(jié)狀空心結(jié)構(gòu)的仿兔毛二氧化硅納米纖維。

無(wú)機(jī)陶瓷納米纖維材料因其重量輕、不燃、耐火、耐腐蝕、隔熱性能優(yōu)異等特點(diǎn)，被認(rèn)為是航空航天、建筑、工業(yè)管道、耐火服等領(lǐng)域極具潛力的隔熱材料之一。然而，無(wú)機(jī)陶瓷纖維普遍很脆，其薄膜的拉伸強(qiáng)度通常較低，這嚴(yán)重限制了其廣泛應(yīng)用。

“在無(wú)機(jī)納米纖維中引入空心結(jié)構(gòu)或多孔納米顆粒，其纖維膜可能會(huì)更脆。”司銀松說(shuō)，如何既提升隔熱性，又不失柔韌性，是本次研究的關(guān)鍵，也很具挑戰(zhàn)性。

“多面手”材料提升力學(xué)性能

聚酰亞胺被稱為高分子材料中的“多面手”，在航空、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領(lǐng)域均有所應(yīng)用，其薄膜有“黃金薄膜”之稱。

司銀松說(shuō)，聚酰亞胺具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)性和優(yōu)異的力學(xué)性能。理論上，竹節(jié)狀空心結(jié)構(gòu)和聚酰亞胺薄層的協(xié)同效應(yīng)可以克服無(wú)機(jī)納米纖維的脆性，同時(shí)不顯著降低其整體熱穩(wěn)定性和隔熱性能。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，僅需簡(jiǎn)單浸漬，兔毛狀的二氧化硅納米纖維表面被附上聚酰亞胺薄層后，竹節(jié)形狀的空心結(jié)構(gòu)可以使纖維內(nèi)部保持大量的靜止空氣，有利于隔熱;聚酰亞胺薄層賦予了復(fù)合納米纖維良好的力學(xué)性能。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，二氧化硅/聚酰亞胺復(fù)合納米纖維膜的拉伸強(qiáng)度可達(dá)19.7兆帕，約為浸漬前的10.1倍;經(jīng)過(guò)20000次動(dòng)態(tài)彎曲循環(huán)，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的損傷;可以承受至少500次摩擦循環(huán)，表現(xiàn)出良好的耐久性。

“這些出色的特性主要?dú)w因于復(fù)合纖維膜中形成的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及對(duì)單根二氧化硅納米纖維的浸漬增強(qiáng)效應(yīng)。”司銀松說(shuō)，從宏觀角度而言，這一復(fù)合納米纖維的強(qiáng)度還取決于纖維與纖維之間的相互作用力。聚酰亞胺的涂覆，使得纖維在交結(jié)處能更好地黏結(jié)起來(lái)，受到拉拽時(shí)就有很多根纖維同時(shí)受力，整體強(qiáng)度就高。

此外，二氧化硅/聚酰亞胺復(fù)合納米纖維膜的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于天然兔毛的導(dǎo)熱系數(shù)，彎曲剛度則明顯低于普通A4打印紙，這為開(kāi)發(fā)實(shí)用的耐久隔熱材料提供了一種簡(jiǎn)單的策略。

司銀松表示，高精儀器、航天運(yùn)輸、消防安全等領(lǐng)域，普遍需要隔熱、輕質(zhì)、防火等綜合性能更優(yōu)的隔熱材料，該研究得到的仿兔毛結(jié)構(gòu)二氧化硅/聚酰亞胺復(fù)合納米纖維在這方面就具有很大優(yōu)勢(shì)。接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)將提升這一復(fù)合纖維的制備效率，結(jié)合減少能源浪費(fèi)、防止熱損傷、減輕設(shè)備重量/占用體積、提高穿戴舒適性等具體需求，逐步開(kāi)展成果轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞： 二氧化硅 聚酰亞胺 空心結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能 導(dǎo)熱系數(shù)