气凝胶因其高孔隙率和极低的导热系数而被公认为最佳的隔热材料。自20世纪30年代发明以来，气凝胶已广泛应用于绿色建筑、储能装置、催化剂载体、环境处理等。但是，由于气凝胶的易碎性和加工性差，在纺织品的实际应用中不可避免地会产生不可逆的结构损坏，从而导致隔热性能的丧失，因此气凝胶在保温纺织品中的应用受到了很大的限制。虽然已经有一些尝试将气凝胶混合到编织或非织造织物中，但由于高掺杂含量时加工性差或低掺杂含量时隔热效率低，气凝胶在隔热纺织品中的应用仍然受到严重限制。
虽然最近开发的气凝胶纤维中的一些已经取得了更好的机械性能，但它们在编织成纺织品时仍然具有不足的强度和柔韧性。此外，这些气凝胶纤维不能机洗，在水下或潮湿的环境中很容易失去隔热能力。因此，设计和制造具有优异保温性能和多功能的针织和编织气凝胶纤维仍然是一个挑战。
许多动物进化出了特殊的皮毛，以便在极端寒冷的环境中生存。作为一个典型的例子，北极熊的毛发呈现出独特的核壳结构。高孔隙率可以有效地截留空气，提供了优异的保温性能，致密的外壳提供了有效的机械保护(抗拉强度和应变分别约为300 MPa和35%)。因此，人们长期以来一直对北极熊的毛发在北极隔热的能力着迷。模仿北极熊毛发微观结构的策略开发了一种可行的方法来开发坚固的隔热材料。
北极熊的毛发具有多孔和致密的核壳结构，以防止热量损失(图1A)。这为该材料的设计和合成纤维的制备提供了灵感。北极熊的毛发上有很多几十微米大小的毛孔，可以捕获大量的静止空气，有效地抑制热传导和对流。排列的多孔壁大大减少了导热路径的数量，并提供了强红外(IR)反射率的多重反射效应，这两者都有利于有效的隔热。致密的外壳保护多孔芯，使头发防水，对潮湿空气不敏感，这是典型气凝胶材料失去隔热性能的主要原因。 该团队设计了一种具有类似隔热机制的封装气凝胶纤维(图1B)，并开发了一种简单的两步制造路线来模拟核-壳结构(图1C)。首先，通过冷冻纺丝获得气凝胶纤维。通过使用分散良好的聚合物溶液来进行冷冻纺丝，通过冷区挤压产生连续稳定的冰纤维，且使用电机收集。通过控制挤出速度和冷源温度，可以调节气凝胶纤维内部的孔隙结构。随后，将收集到的冷冻纤维进行冷冻干燥，以保留纤维内部的层状多孔结构。最后用TPU溶液涂覆气凝胶纤维，用涂覆干燥设备进行干燥，得到具有仿生核壳结构的包覆气凝胶纤维。 封装层对纤维性能有相反的影响。较厚的包裹层提供了强度更高的纤维，但降低了它们的隔热效率。因此，优化了封装层的厚度，以确保封装气凝胶纤维（EAF）既具有优异的隔热性能，又具有良好的机械强度。 封装层不仅为气凝胶纤维提供了足够的强度，而且保护了其在循环拉伸下的保温性能。致密完整的封装层使EAF在拉伸至1000%应变后可以完全恢复，且长度没有变化(图3、A、B)。在日常佩戴中，纤维会受到循环拉伸和径向压缩，这是常规气凝胶纤维材料难以达到的要求。 通过测量纤维表面和热台(40°C)之间的平衡温差来研究循环拉伸后EAF的隔热性能(图3C)。EAF的隔热性能非常稳定，即使在100%应变下进行10,000次拉伸循环后，温度变化也稳定在2.7°C左右，这表明即使在日常磨损下，该性能也能保持不变。我们将这种稳定的隔热性能归功于坚固的封装层，它确保了纤维的完整性。 在其优异的柔韧性和强度的基础上，进一步将EAFs编织成气凝胶纺织品。将EAFs织物与相似厚度的尼龙、聚酯(PET、聚对苯二甲酸乙二醇酯)和羊毛织物放在相同的加热台上进行比较(图4A和表S1)。因此，我们在阶段温度稳定在40°C时拍摄了一系列红外图像。EAF纺织品的隔热性能优异(图4B)。EAF纺织品的导热系数(26.9±1.8 mW/m·K)远低于尼龙(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，进一步使用工业剑杆织机将EAFs编织成40 × 25厘米的纺织品(图4C)。这反映了用我们的EAFs生产可伸缩隔热纺织品的潜力，这一直是限制传统气凝胶纤维发展的主要障碍。放大后的保温织物(图4D)显示了典型的无缺陷的平纹编织结构，表明我们的EAFs可以抵抗编织过程中的剪切和拉伸。由此产生的纺织品也足够灵活，可以折叠或弯曲成各种形状(图4E和图S7)，这对于舒适穿着也是至关重要的。 表1.不同材料的厚度和导热系数。
标签： 导热界面材料 点击： 评论: