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東華大學(xué)朱美芳院士/葉長(zhǎng)懷團(tuán)隊(duì) AFM:具有優(yōu)異力學(xué)和隔熱性能二氧化硅/芳綸納米纖維雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合氣凝膠纖維用于耐火型摩擦納米發(fā)電機(jī)
2024-08-24  來(lái)源:高分子科技

  摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)可以為可穿戴電子設(shè)備提供持續(xù)的電力,在智能防護(hù)織物領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。氣凝膠纖維因其輕質(zhì)和優(yōu)異的隔熱性能,是一種較為理想的制備極端環(huán)境用柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)的材料,如用于消防服等消防設(shè)備。然而,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)氣凝膠脆性大、力學(xué)性能差,限制了其在柔性TENG中的應(yīng)用。而有機(jī)的聚合物基氣凝膠纖維雖然韌性好,但是耐火性能差,難以在火災(zāi)等極端環(huán)境中穩(wěn)定使用。


  針對(duì)這些問(wèn)題,東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院葉長(zhǎng)懷教授、朱美芳院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)二氧化硅/芳綸納米纖維復(fù)合氣凝膠纖維,克服了現(xiàn)有材料的局限,提供了一種既具備優(yōu)異耐火和隔熱性能,又具有良好韌性的柔性氣凝膠纖維材料。通過(guò)濕法紡絲,在芳綸納米纖維濕凝膠網(wǎng)絡(luò)中生長(zhǎng)具有更小尺度的納米二氧化硅網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步通過(guò)冷凍干燥方法制備得到雙納米網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)-無(wú)機(jī)氣凝膠纖維(圖1);谶@種納米雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),復(fù)合氣凝膠纖維結(jié)合了二氧化硅和芳綸納米纖維氣凝膠性能上的優(yōu)勢(shì),具有95%的孔隙率,高拉伸強(qiáng)度(3.4 MPa),低熱導(dǎo)率(0.033 W/(m·K),大比表面積(587 m2/g)和優(yōu)異的耐火性能(極限氧指數(shù)47.7%)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn),基于復(fù)合氣凝膠纖維編織的織物在液氮中能反復(fù)彎曲而不破壞氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)。用機(jī)器反復(fù)拍打復(fù)合氣凝膠織物10000次來(lái)模擬織物實(shí)際使用場(chǎng)景,發(fā)現(xiàn)織物的重量幾倍維持不變,沒(méi)有傳統(tǒng)無(wú)機(jī)氣凝膠易掉粉的現(xiàn)象。另外,因?yàn)闊o(wú)機(jī)氣凝膠網(wǎng)絡(luò)中含有MTES硅源,復(fù)合氣凝膠織物顯示出疏水性能,具有128°的靜態(tài)接觸角,并且在水中浸泡12小時(shí)以上,織物仍能浮于水面上,說(shuō)明液態(tài)水不能進(jìn)入復(fù)合氣凝膠納米孔中。


  通過(guò)燃燒試驗(yàn),研究人員發(fā)現(xiàn)芳綸氣凝膠纖維因其大比表面積,阻燃性能差,火焰能夠沿著纖維蔓延,而復(fù)合氣凝膠纖維具有自熄、無(wú)熔滴的優(yōu)異阻燃耐火性能。厚度為3.5mm的復(fù)合氣凝膠織物暴露在酒精燈火焰5分鐘,火焰仍無(wú)法燒穿織物。將復(fù)合氣凝膠織物作為TENG的摩擦層制備的TENG具有穩(wěn)定的電輸出性能,在整流后能點(diǎn)亮10LED燈泡。并且,TENG暴露在酒精燈火焰中5秒后,其電輸出性能仍然能保留94%,顯示出極高的穩(wěn)定性。這種有機(jī)無(wú)機(jī)雙網(wǎng)絡(luò)氣凝膠纖維的制備策略為開發(fā)高性能和多功能氣凝膠纖維材料應(yīng)用于極端環(huán)境提供了更多可能性。


1 二氧化硅/芳綸雙網(wǎng)絡(luò)氣凝膠纖維的制備機(jī)理及微觀和宏觀結(jié)構(gòu)


2 (a) M-T/ANF氣凝膠纖維與傳統(tǒng)阻燃材料的LOI值比較。(b) ANF氣凝膠纖維和M-T/ANF復(fù)合氣凝膠纖維的HRR曲線。(c) M-T/ANF復(fù)合氣凝膠織物經(jīng)過(guò)燃燒測(cè)試后的光學(xué)顯微鏡圖。(d) 使用酒精燈對(duì)純ANF氣凝膠纖維進(jìn)行垂直燃燒測(cè)試。(e) 使用酒精燈對(duì)M-T/ANF復(fù)合氣凝膠纖維進(jìn)行垂直燃燒測(cè)試。(f) M-T/ANF復(fù)合氣凝膠織物暴露于火焰下不同時(shí)間的情況。


3 (a) 垂直接觸-分離模式下TENG的摩擦發(fā)電機(jī)制。(b) 使用純ANF、M-T/ANFBaTiO3@M-T/ANF氣凝膠織物作為摩擦電層的TENG的電輸出性能。(c) 充電系統(tǒng)的電路圖。(d) 用手拍打復(fù)合氣凝膠織物點(diǎn)亮串聯(lián)連接的10個(gè)紅色LED燈。(e) TENG暴露于火焰5秒后的情況及燃燒后的復(fù)合氣凝膠織物的照片。(f) TENG被燃燒5秒后的電輸出結(jié)果。(g) BaTiO3@/ANF氣凝膠織物基TENG在燃燒后的LOI值和電輸出性能保持率與近期報(bào)道的阻燃TENG的比較。


  該工作以Mechanically Robust and Thermal Insulating Silica/Aramid Nanofiber Composite Aerogel Fibers with Dual Networks for Fire-Resistant and Flexible Triboelectric Nanogenerators為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。東華大學(xué)碩士研究生李佳為該工作的第一作者,葉長(zhǎng)懷教授為通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及清源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室重大項(xiàng)目資助。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202410940

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