海绵材质-湿度诱导静电纺纤维海绵应用于高性能保暖材料

摘要

当前保暖材料的发展方向是轻质化和高效化。本文利用湿度诱导静电纺丝技术制备出了一种低导热、高储热的超轻超弹静电纺纤维海绵。在本项工作中，通过湿气诱导静电纺丝和热交联技术在纤维内，将含有碳化锆纳米粒子(ZrC NPs)的纤维组装成三维结构并创建半互穿聚合物网络 (semi-IPNs)，获得了一种用作新型保暖材料的超轻超弹性纤维海绵。所得海绵经检测表面具有高保温能力和有效的光热转换性能。这项工作为开发用于个人防寒的高性能保暖材料提供了一种新方法。

关键词

湿度诱导；纤维海绵；静电纺；保暖

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正文

高性能保暖材料是实现个体冷防护的有效途径。目前市面上常用的纤维保暖材料主要包括天然纤维类（棉花、羊毛、羽绒等）和合成纤维类（超细纤维、中空纤维等），这些纤维的直径均在10μm以上，为满足极寒条件下的保暖需求，通常的方法是增加材料的重量和厚度，但同时会给穿着者尤其是作战士兵造成不便。

目前，先进的保暖材料已被科研人员所开发，并吸引了学术界和产业界的广泛注意，如对织物进行金属化修饰，赋予材料高红外反射性能以阻止人体辐射热量大量耗散，但金属层与皮肤接触时产生的高导热效应会导致人体热量快速传导耗散，同时金属层还存在价格昂贵的不足。此外，为拓展更多的应用场景，电加热保暖材料也被大量研究报道，但该类材料也面临着能源消耗和安全性不足的缺陷。因此，开发出安全节能的轻质高效保暖材料仍旧是当前的一大挑战。

最近东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士和丁彬研究员团队在Elsevier旗下的Composites Communications期刊发表了题为“Ultralight and superelastic fibrous sponges with effective heat preservation and photothermal conversion for personal cold protection”的研究论文。该论文通过利用湿度诱导静电纺丝技术（即高湿度（~85%）下纺丝，在接收端纤维会形成絮状堆积，形成三维蓬松的海绵状纳米纤维毡）制备出了一种低导热、高储热的超轻超弹静电纺纤维海绵。

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图1超轻超弹静电纺纤维海绵的制备流程及其光热转化性能示意图

该静电纺纤维海绵的制备流程如图1所示，首先开发出了一种单体预聚物/线性聚合物的双组分溶液新配方，并将光热转化物质碳化锆纳米颗粒引入溶液体系内，利用湿度诱导静电纺丝技术一步制备出具有三维蓬松结构的静电纺纤维骨架，随后对其进行热处理，使纤维内部产生稳定的聚合物交联网络以赋予材料良好的力学性能。

湿度诱导影响生成蓬松纳米纤维过程如图2所示海绵材质，低湿度下得到的是致密的纳米纤维膜，随着湿度的升高，纤维膜逐渐变得蓬松，并在湿度为85%时达到最大。另外显示湿度对纳米纤维串珠形貌有显著影响海绵材质，表现为低湿度时纤维有较多串珠，随着湿度的升高，纤维表面逐渐变得平滑。

图2在不同RHs下制备的PSU纤维的横断面(a-d)和俯视面(e-h)SEM图像。i) 在不同RHs下制备的PSU纤维的体积密度和孔隙率。j) PSU-DMF-H2O系统的线性化云点图。k)三元相

PSU-DMF-H2O系统的云点图。

所制备的静电纺纤维海绵中的纤维平均直径约为3μm，该材料在极低体积密度条件下（~2.8 mg/cm3）可获得极低的导热系数（~25.2 mW/m•K），与常温常压下的空气导热系数接近，表现出优异的阻隔热量散失的能力；同时在模拟太阳光的照射下，材料的表面温度可以在30秒内快速升温至60.8℃，并最终稳定在70.3℃，表现出高效的光热转化性能，说明材料还具有优异的储热积极保暖功能。此外，该材料可承载10000倍自身重量下的大变形压缩，并可以快速回复原来的形状；同时在-100℃的低温环境下，材料经1000次循环压缩（ɛ=60%）后仅表现出极小的塑性形变，说明该材料具有优异的低温压缩回弹性（图3）。该纤维海绵优异的综合性能使其在耐极寒保暖材料领域表现出广阔的应用前景。

图3 超轻超弹静电纺纤维海绵的特性：（a）超轻特性，（b）大变形压缩回弹性能（c）低温压缩回弹性能，（d）不同碳化锆含量下材料的导热系数（e）模拟太阳光照射下，普通纺织品和PCFS的表面温度情况（f）模拟太阳光照射10min后，普通纺织品和PCFS的表面红外成像图片。

近年来俞建勇院士和丁彬研究员团队在湿度诱导静电纺丝技术制备三维纳米纤维海绵吸音、保暖材料方面成果丰硕。据不完全统计，2019-2021年该团队已发表相关论文7篇，其中一区3篇，二区4篇，2021年上半年占5篇，累积IF 高达48.571 。可见湿度诱导静电纺丝技术研究与应用潜力逐渐显现。相关文献汇总如下（可联系文末微信二维码索取打包全文！）：

[1] Zz A , Hw B , Yang S , et al. Stretchable and resilient fibrous sponges tailored by interlocking double-network for warmth retention[J]. Composites Communications, 2021:100788.(Q2, IF=4.915(3年平均，下同))

[2] Hw A , Lei Z A , Yang S , et al. Ultralight and superelastic fibrous sponges with effective heat preservation and photo-thermal conversion for personal cold protection[J]. CompositesCommunications, 2021. (Q2, IF=4.915)

[3] Wu H , Zhao L , Zhang S , et al. Ultralight and Mechanically Robust Fibrous Sponges Tailored by Semi-Interpenetrating Polymer Networks for Warmth Retention[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021.(Q1, IF=8.437)

[4] Yf A, Dz B, Yh A, et al. Gradient structured micro/nanofibrous sponges with superior compressibility and stretchability for broadband sound absorption[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 593:59-66. (Q2, IF=6.314)

[5] Zhao L , Wu H , Jiao W , et al. Superelastic, lightweight, and flame-retardant 3D fibrous sponge fabricated by one-step electrospinning for heat retention[J]. Composites Communications,2021:100681.(Q2, IF=4.915)

[6] D Zong, L Cao, Y Li, et al.Interlocked Dual‐Network and Superelastic Electrospun Fibrous Sponges for Efficient Low‐Frequency Noise Absorption[J]. Small Structures, 2020.(新刊，参考Small, Q1,IF=10.638)

[7]Leitao, Cao, Yang, et al. Ultralight and Resilient Electrospun Fiber Sponge with a Lamellar Corrugated Microstructure for Effective Low-Frequency Sound Absorption.[J]. ACS applied materials & interfaces, 2019, 11(38):35333-35342.(Q1, IF=8.437)

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