由于工業(yè)的快速發(fā)展和化石能源的減少,能源消耗已成為一個(gè)至關(guān)重要的普遍問(wèn)題。保溫隔熱是減少能源損失和提高全球能源效率的有效方法之一。優(yōu)異的保溫隔熱材料在航空航天、建筑節(jié)能和體育設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,隔熱材料在不同溫度和濕度條件下,其性能往往會(huì)惡化。例如當(dāng)保溫隔熱材料暴露于高濕度環(huán)境中時(shí),較高濕度的空氣(即水分子)擴(kuò)散到材料中會(huì)削弱其隔熱性能,甚至破壞樣品的結(jié)構(gòu)。因此,構(gòu)建在極端濕熱環(huán)境下仍具有出色的保溫隔熱性能的塊狀材料是非常重要的。

近日,東華大學(xué)劉天西教授課題組發(fā)展了一種具有良好力學(xué)性能、超疏水、隔熱的納米纖維氣凝膠,即通過(guò)靜電紡絲和冷凍干燥技術(shù)制備了聚偏氟乙烯/聚酰亞胺(PVDF/PI)納米纖維復(fù)合氣凝膠。PVDF納米纖維和PI納米纖維分別充當(dāng)疏水性纖維骨架和機(jī)械支撐骨架,形成具有良好機(jī)械柔韌性的堅(jiān)固的三維框架。所得的PVDF/PI納米纖維復(fù)合氣凝膠顯示出高孔隙率(98.6%)、低密度(22.0 mg cm?3)、良好的機(jī)械穩(wěn)定性和高隔熱性(室溫下熱導(dǎo)率為31.0 mW m?1 K?1,300°C下為58.2 mW m?1K?1)。同時(shí)該氣凝膠展示出優(yōu)異的超疏水特性,水接觸角為152°。即使在100%濕度(80°C)下,PVDF/PI納米纖維復(fù)合氣凝膠仍顯示出較低的熱導(dǎo)率,僅為48.6 mW m?1k?1,其性能優(yōu)于大多數(shù)商業(yè)絕熱材料。因此,這種超疏水PVDF/PI納米纖維復(fù)合氣凝膠在保溫隔熱領(lǐng)域尤其是在潮濕和高溫環(huán)境中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,可廣泛應(yīng)用于建筑保溫、戶外運(yùn)動(dòng)裝備和石油管道保溫等領(lǐng)域。

極端濕熱環(huán)境下隔熱的納米纖維氣凝膠

圖1(a)PVDF/PI氣凝膠制備過(guò)程示意圖。(b, c)PVDF/PI氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)照片。(d)PVDF/PI氣凝膠可置于花蕊頂部,展示其輕質(zhì)的特點(diǎn)。(e)不同形狀的PVDF/PI氣凝膠。(f)染色水滴在PVDF/PI氣凝膠表面,說(shuō)明其良好的疏水性。(g)高溫高濕環(huán)境中PVDF/PI氣凝膠的數(shù)碼照片(左)和紅外熱成像圖(右)。在潮濕環(huán)境和300°C熱臺(tái)上,PVDF/PI氣凝膠表面溫度僅為56.9°C。

該研究發(fā)表在Science China Materials上,東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生楊帆為第一作者,劉天西教授和樊瑋副研究員為該論文的通訊作者。該課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(21674019,21704014)的資助與支持。

 

Superhydrophobic polyvinylidene fluoride/polyimide nanofiber composite aerogels for thermal insulation under extremely humid and hot environment

Fan Yang, Xingyu Zhao, Tiantian Xue, Shijia Yuan, Yunpeng Huang, Wei Fan, Tianxi Liu

SCIENCE CHINA Materials, 2020, 10.1007/s40843-020-1518-4

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