极端湿热环境下隔热的纳米纤维气凝胶

由于工业的快速发展和化石能源的减少,能源消耗已成为一个至关重要的普遍问题。保温隔热是减少能源损失和提高全球能源效率的有效方法之一。优异的保温隔热材料在航空航天、建筑节能和体育设备等领域有着广泛的应用需求。然而,在实际应用中,隔热材料在不同温度和湿度条件下,其性能往往会恶化。例如当保温隔热材料暴露于高湿度环境中时,较高湿度的空气(即水分子)扩散到材料中会削弱其隔热性能,甚至破坏样品的结构。因此,构建在极端湿热环境下仍具有出色的保温隔热性能的块状材料是非常重要的。

近日,东华大学刘天西教授课题组发展了一种具有良好力学性能、超疏水、隔热的纳米纤维气凝胶,即通过静电纺丝和冷冻干燥技术制备了聚偏氟乙烯/聚酰亚胺(PVDF/PI)纳米纤维复合气凝胶PVDF纳米纤维和PI纳米纤维分别充当疏水性纤维骨架和机械支撑骨架,形成具有良好机械柔韧性的坚固的三维框架。所得的PVDF/PI纳米纤维复合气凝胶显示出高孔隙率(98.6%)、低密度(22.0 mg cm−3)、良好的机械稳定性和高隔热性(室温下热导率为31.0 mW m−1 K−1,300°C下为58.2 mW m−1K−1)。同时该气凝胶展示出优异的超疏水特性,水接触角为152°。即使在100%湿度(80°C)下,PVDF/PI纳米纤维复合气凝胶仍显示出较低的热导率,仅为48.6 mW m−1k−1,其性能优于大多数商业绝热材料。因此,这种超疏水PVDF/PI纳米纤维复合气凝胶在保温隔热领域尤其是在潮湿和高温环境中具有潜在的应用价值,可广泛应用于建筑保温、户外运动装备和石油管道保温等领域。

极端湿热环境下隔热的纳米纤维气凝胶

图1(a)PVDF/PI气凝胶制备过程示意图。(b, c)PVDF/PI气凝胶的微观结构照片。(d)PVDF/PI气凝胶可置于花蕊顶部,展示其轻质的特点。(e)不同形状的PVDF/PI气凝胶。(f)染色水滴在PVDF/PI气凝胶表面,说明其良好的疏水性。(g)高温高湿环境中PVDF/PI气凝胶的数码照片(左)和红外热成像图(右)。在潮湿环境和300°C热台上,PVDF/PI气凝胶表面温度仅为56.9°C。

该研究发表在Science China Materials上,东华大学材料科学与工程学院硕士生杨帆为第一作者,刘天西教授和樊玮副研究员为该论文的通讯作者。该课题得到了国家自然科学基金(21674019,21704014)的资助与支持。

 

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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