氣凝膠因其高孔隙率和極低的導熱系數而被公認為最佳的隔熱材料。自20世紀30年代發明以來，氣凝膠已廣泛應用于綠色建筑、儲能裝置、催化劑載體、環境處理等。但是，由于氣凝膠的易碎性和加工性差，在紡織品的實際應用中不可避免地會產生不可逆的結構損壞，從而導致隔熱性能的喪失，因此氣凝膠在保溫紡織品中的應用受到了很大的限制。雖然已經有一些嘗試將氣凝膠混合到編織或非織造織物中，但由于高摻雜含量時加工性差或低摻雜含量時隔熱效率低，氣凝膠在隔熱紡織品中的應用仍然受到嚴重限制。
雖然最近開發的氣凝膠纖維中的一些已經取得了更好的機械性能，但它們在編織成紡織品時仍然具有不足的強度和柔韌性。此外，這些氣凝膠纖維不能機洗，在水下或潮濕的環境中很容易失去隔熱能力。因此，設計和制造具有優異保溫性能和多功能的針織和編織氣凝膠纖維仍然是一個挑戰。
許多動物進化出了特殊的皮毛，以便在極端寒冷的環境中生存。作為一個典型的例子，北極熊的毛發呈現出獨特的核殼結構。高孔隙率可以有效地截留空氣，提供了優異的保溫性能，致密的外殼提供了有效的機械保護(抗拉強度和應變分別約為300 MPa和35%)。因此，人們長期以來一直對北極熊的毛發在北極隔熱的能力著迷。模仿北極熊毛發微觀結構的策略開發了一種可行的方法來開發堅固的隔熱材料。
北極熊的毛發具有多孔和致密的核殼結構，以防止熱量損失(圖1A)。這為該材料的設計和合成纖維的制備提供了靈感。北極熊的毛發上有很多幾十微米大小的毛孔，可以捕獲大量的靜止空氣，有效地抑制熱傳導和對流。排列的多孔壁大大減少了導熱路徑的數量，并提供了強紅外(IR)反射率的多重反射效應，這兩者都有利于有效的隔熱。致密的外殼保護多孔芯，使頭發防水，對潮濕空氣不敏感，這是典型氣凝膠材料失去隔熱性能的主要原因。 該團隊設計了一種具有類似隔熱機制的封裝氣凝膠纖維(圖1B)，并開發了一種簡單的兩步制造路線來模擬核-殼結構(圖1C)。首先，通過冷凍紡絲獲得氣凝膠纖維。通過使用分散良好的聚合物溶液來進行冷凍紡絲，通過冷區擠壓產生連續穩定的冰纖維，且使用電機收集。通過控制擠出速度和冷源溫度，可以調節氣凝膠纖維內部的孔隙結構。隨后，將收集到的冷凍纖維進行冷凍干燥，以保留纖維內部的層狀多孔結構。最后用TPU溶液涂覆氣凝膠纖維，用涂覆干燥設備進行干燥，得到具有仿生核殼結構的包覆氣凝膠纖維。 封裝層對纖維性能有相反的影響。較厚的包裹層提供了強度更高的纖維，但降低了它們的隔熱效率。因此，優化了封裝層的厚度，以確保封裝氣凝膠纖維（EAF）既具有優異的隔熱性能，又具有良好的機械強度。 封裝層不僅為氣凝膠纖維提供了足夠的強度，而且保護了其在循環拉伸下的保溫性能。致密完整的封裝層使EAF在拉伸至1000%應變后可以完全恢復，且長度沒有變化(圖3、A、B)。在日常佩戴中，纖維會受到循環拉伸和徑向壓縮，這是常規氣凝膠纖維材料難以達到的要求。 通過測量纖維表面和熱臺(40°C)之間的平衡溫差來研究循環拉伸后EAF的隔熱性能(圖3C)。EAF的隔熱性能非常穩定，即使在100%應變下進行10,000次拉伸循環后，溫度變化也穩定在2.7°C左右，這表明即使在日常磨損下，該性能也能保持不變。我們將這種穩定的隔熱性能歸功于堅固的封裝層，它確保了纖維的完整性。 在其優異的柔韌性和強度的基礎上，進一步將EAFs編織成氣凝膠紡織品。將EAFs織物與相似厚度的尼龍、聚酯(PET、聚對苯二甲酸乙二醇酯)和羊毛織物放在相同的加熱臺上進行比較(圖4A和表S1)。因此，我們在階段溫度穩定在40°C時拍攝了一系列紅外圖像。EAF紡織品的隔熱性能優異(圖4B)。EAF紡織品的導熱系數(26.9±1.8 mW/m·K)遠低于尼龍(91.2±1.6 mW/m·K)、PET(98.3±1.9 mW/m·K)和羊毛(38.9±1.1 mW/m·K)(表S1。此外，進一步使用工業劍桿織機將EAFs編織成40 × 25厘米的紡織品(圖4C)。這反映了用我們的EAFs生產可伸縮隔熱紡織品的潛力，這一直是限制傳統氣凝膠纖維發展的主要障礙。放大后的保溫織物(圖4D)顯示了典型的無缺陷的平紋編織結構，表明我們的EAFs可以抵抗編織過程中的剪切和拉伸。由此產生的紡織品也足夠靈活，可以折疊或彎曲成各種形狀(圖4E和圖S7)，這對于舒適穿著也是至關重要的。 表1.不同材料的厚度和導熱系數。
標簽： 導熱界面材料 點擊： 評論: