作者：2017級本科生 高榕澤 材料學(xué)院
指導(dǎo)老師：伍暉 材料學(xué)院
關(guān)鍵詞：納米纖維，絕熱，氣紡絲技術(shù)（solution blow-spinning）、PI
摘要
航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)、力學(xué)性能好的絕熱材料有很高的需求。該作品利用氣紡絲技術(shù)，以PI為原料，成功制備了密度小、成型性較好、彈性較高的納米纖維，且具有很好的絕熱性。
研究背景
絕熱材料在眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著十分重要的作用。如在航空方面，它隔絕航天飛機返航時與大氣摩擦產(chǎn)生的1000℃以上的高溫，幫助機艙在極端冷熱交替的太空中保持恒溫，保護飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)。絕熱材料組成的隔熱系統(tǒng)覆蓋整架航天飛機，保障航天飛機的正常行駛。
對于航天器來說，減輕重量是研究人員們奮斗的目標(biāo)。飛機的重量每減輕1kg，每小時燃油的花費就會減少0.05美分。氣凝膠是密度最小的固態(tài)材料，密度僅約3 g/m3，約為空氣的兩倍。將納米纖維制備成氣凝膠，極大地減小了隔熱層的重量。氣凝膠具有高熔點、低導(dǎo)熱性的熱學(xué)性質(zhì)，質(zhì)輕卻堅固耐用，可以承受自身重量幾千倍的壓力。制成的納米纖維氣凝膠有很好的柔性、彈性和機械強度，可以滿足航天飛機飛行時的需求。
圖1 （a）飛機整個機身均覆蓋有隔熱層 （b）氣凝膠示意圖
制備工藝
該作品采用了氣紡絲（solution blow spinning，SBS）的制備方法。通過在與液流相同方向噴出高壓氣體，使得外層動能小的高壓氣體在內(nèi)層形成低壓區(qū)，由壓力差作為驅(qū)動力，制備連續(xù)不斷的一維納米纖維。液滴形成錐形，壓力差克服表面張力形成纖維，到達收集裝置的過程中溶劑揮發(fā)，溶質(zhì)留下形成納米纖維。
圖2 氣紡絲裝置示意圖
*圖源：Daristotle J L , Behrens A M , Sandler A D , et al. A review of the fundamental principles and applications of solution blow spinning[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016:acsami.6b12994.
傳統(tǒng)制備納米纖維的靜電紡絲法相比，氣紡絲有眾多優(yōu)勢。首先，它避免了使用高壓電源，而且避免了使用二氯甲烷、三氟乙醇等高毒性溶劑，從而使制備過程更加安全環(huán)保。其次，氣紡絲的出絲速率可達靜電紡絲的十倍。噴出的高壓氣體兼具提供驅(qū)動力使溶劑揮發(fā)的作用，從而非常適合工業(yè)化生產(chǎn)。
圖3 氣紡絲原理示意圖
*圖源：Medeiros E S , Glenn G M , Klamczynski A P , et al. Solution blow spinning: A new method to produce micro- and nanofibers from polymer solutions[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 113(4):2322-2330.
圖4 氣紡絲法制備的納米纖維電鏡照片
產(chǎn)品性能
通過嘗試不同的PI濃度以及交聯(lián)劑含量，探索出了絕熱性好、成型性好且彈性高、密度小的納米纖維。下圖為將制備出的PI納米纖維加熱到350℃下的紅外照片圖。由圖可見，樣品PI納米纖維的總厚度2.0 cm，一側(cè)為加熱到350℃的加熱臺，另一側(cè)僅為約30℃，且僅需要1 cm左右即可實現(xiàn)由350℃降低到該溫度。由此可見制備出的納米纖維有極好的絕熱性，可以滿足一定的絕熱性需求。同時，制備出的纖維有很好的彈性和成型性，容易制作成各種形狀，而且密度非常小，滿足了輕質(zhì)的需求。
圖5 樣品及加熱測試裝置
圖6 樣品紅外照片圖
總結(jié)與展望
現(xiàn)階段成功實現(xiàn)了用氣紡絲技術(shù)制備成型性較好、絕熱性好的高彈PI納米纖維。下一步將繼續(xù)探索合適的PI及交聯(lián)劑濃度配方，獲得熱學(xué)及力學(xué)性能更加優(yōu)異的纖維。同時將制備更大尺寸的樣品，采用更高溫度的設(shè)備加熱，進一步檢測樣品的絕熱性能。氣紡絲技術(shù)以速度快、成本低的優(yōu)勢適合應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。該納米纖維絕熱材料也在向工業(yè)化方向努力。
