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一种用于个人热管理的气凝胶纳米纤维

作者: 洞见热管理

2024-11-06

背景介绍

服装在热管理中起着至关重要的作用，在日常活动中提供热舒适。然而，不能快速适应快速的环境变化会导致不适、疾病，在极端情况下甚至死亡。历史上，人类在服装中使用天然纤维来减少热量损失和增强保暖性。遗憾的是，传统的纤维材料往往直径大、孔径大、孔隙率低，不利于隔热。合成的超细纤维提供了更小的直径和孔径，但仍然受到不受控制的孔隙结构的影响阻断传热途径，损害材料重量和效率之间的平衡。三维超细纤维海绵的发展改善了材料孔隙率，增强了其抑制热对流的能力。然而，这些材料继续与大孔径作斗争，不能充分防止空气分子的热传导，并且耐温性差。

气凝胶以其高孔隙率和相互连接的纳米孔结构（<65nm）而闻名，有效地利用克努森效应来限制空气分子的运动，使其成为顶级绝缘材料。尽管有这些优点，气凝胶固有的易碎性和较差的可加工性严重限制了它们在保温纺织品中的应用。因此，开发一种既具有0D传统气凝胶粉末的小孔径和耐温性，又具有2D纤维纺织品的可穿戴功能和3D纤维气凝胶的轻量化、可控制厚度，同时结合可调主动隔热和高效被动辐射吸收的材料，仍然是至关重要的，也是具有挑战性的。

成果掠影

近日，东华大学丁彬、张世超团队针对开发将体温保持在安全舒适的范围的温度调节材料在多变的环境和极端的应用场景中面临的挑战取得最新进展。本文提出了一种独特的双气凝胶策略，用于合成碳气凝胶纳米纤维超织物的能量收集和温度调节。通过控制聚丙烯腈/水的相互作用和溶液的电荷密度，促进了静电纺射流中的相分离和库仑排斥，形成卷曲的纳米纤维，其内部纳米孔（尺寸为30-60 nm）相互缠绕形成纳米纤维双气凝胶结构；通过预氧化和优化石墨化制备了碳气凝胶纳米纤维超织物。由此产生的超织物具有高弹性，-196至600°C的耐温性，优异的隔热性能，高效的电热性能（15至150°C可调）和光热性能（辐射温度升高22°C）。这项工作为开发用于热管理的先进碳纳米材料提供了丰富的可能性。研究成果以“Energy-Harvesting Carbon Aerogel Nanofiber Metafabric for High-Efficiency Thermoregulation” 为题发表在《Advanced Functional Materials》。

图文导读

图1.织物的结构和性质。

图2.织物的制造与表征。

图3.织物在较宽温度范围内的机械性能。

图4.集低温保温、保温、电加热、辐射加热、高温保温于一体的多模态温度调节。

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