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中國海洋大學徐曉峰教授課題組 AFM：可控制備多維度吸濕性全聚合物復合材料實現高效濕度管理和蒸發冷卻

2023-11-29 來源：高分子科技

圖1.具有可洗滌性、透氣性、耐久性等特點的2D織物用于蒸發冷卻、濕度管理和體感溫度調節。

本項工作基于兩種吸濕聚合物及其多重網絡交聯策略，利用氣流輔助靜電紡絲技術制備了兼具吸濕性、耐用性、延展性、透氣性、耐洗性和抗菌性等性能的1D納米纖維和2D多孔織物，實現了高效的大氣水吸附、濕度管理、蒸發冷卻和體感溫度調節。此外，利用3D打印技術制備了具備多尺度孔隙結構的吸濕3D凝膠，揭示出利用最少量吸濕材料獲得高效吸濕性能的方法。該工作研究了吸濕性復合高分子材料的可控制備方法，凸顯了主動吸附式的全聚合物材料在大氣水收集和個人熱管理等領域的應用前景。本項工作以“Self-Contained Moisture Management and Evaporative Cooling through 1D to 3D Hygroscopic All-Polymer Composites”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。本項工作得到了國家自然科學基金面上項目、山東省泰山學者青年項目、山東省自然科學基金和青島市自然科學基金等項目的支持。本項工作獲得英國劍橋大學化學學院、中國海洋大學化學化工學院和海洋生命學院多位合作導師的協助和支持。

圖2.（a）氣流輔助靜電紡絲制備全聚合物吸濕織物流程圖、化學結構式與交聯反應。不同織物納米纖維的（b）平均直徑；（c）水蒸汽吸附性能和（d）拉伸強度和斷裂伸長率匯總。

利用氣流輔助靜電紡絲的方法，克服了傳統靜電方式技術的缺點，制備了基于吸濕性聚合物海藻酸鈉（SA）和聚乙烯亞胺（PEI）的復合納米纖維。利用多重交聯反應克服了吸濕聚合物在高濕度環境中的溶解性，保證了納米纖維穩定結構，吸濕纖維實現了超過50次無衰減的吸濕/脫附循環，在水溶液中能表現出優異的耐洗性。多孔的纖維結構不僅保證了其透氣性，也能顯著促進吸濕織物的快速吸濕和脫附動力學。聚乙烯亞胺表面豐富的質子化氨基也賦予了織物優異的抑菌性能。

圖 3.（a）吸濕織物的脫附示意圖；吸濕織物在不同光照強度下（b）表面溫度及水含量的變化；（c）吸濕織物在不同溫度下的脫附速率圖；吸濕織物與已報道干燥劑在（e）1 sun光照強度下與（f）不同溫度下的脫附速率對比圖。（g）吸濕織物在戶外光照下的實物圖與紅外圖像；（h）吸濕織物在戶外環境中一天可實現多次吸濕和脫附循環。

得益于在高濕度環境中穩定的納米纖維結構，吸濕織物還能夠在廣泛的濕度范圍內實現快速吸濕，能夠在較廣的太陽光照強度與溫度范圍內實現快速脫附，其脫附速率遠高于大多數其他已報道的干燥劑，且可以利用低級熱源（即太陽能和體熱等）實現快速脫附。在戶外真實測試條件下，吸濕織物在一天內能夠實現五次吸濕/脫附循環。

圖4. （a）除濕過程中織物水含量的變化和（b）周圍空氣的相對濕度變化。（c）不同織物透氣性能表征。（d）除濕過程中空氣相對濕度的變化。將手放入含有吸濕織物的環境（e）之前和（f）之后的紅外圖像。（g）熱指數總結圖。（h）和（i）人體排汗對照實驗。

吸濕織物能夠有效吸收空氣中的水蒸氣來降低皮膚與織物間微環境的相對濕度，減少皮膚表面汗液的蒸發阻力，有效促進汗液蒸發帶走熱量。面積為200 cm²的吸濕織物能夠將密閉容器（20×20×20 cm³）的相對濕度在30分鐘內從92%迅速降低至51.5%，手掌溫度從34.5 ℃降低至32.6 ℃。同時，吸濕織物還可以將熱指數從71.0 ℃降低至37.2 ℃，極大改善了人體的熱舒適度。最后，吸濕織物還可以有效防止衣服上出現汗漬，提高穿著舒適性，防止細菌滋生。

圖5.（a）三維打印吸濕基質（HAM）的示意圖和照片。（b）剪切速率掃描下墨水的剪切粘度。（c）墨水的流變性能表征：振蕩應力掃描下的 G′和 G″。（d）HAM的循環壓縮測試。（e）不同相對濕度下HAM的吸濕性能。（f）不同溫度下 HAM 的解吸附性能。（g）HAM 集成鞋墊的照片。（h）含有 HAM 的鞋墊和純 HAM凝膠的抗壓強度、應力保持和變形性能總結。（i）模擬鞋內部環境濕度管理實驗（插入圖片顯示實驗裝置）。

將吸濕材料SA、PEI與納米纖維素混合，利用3D打印技術制備出了三維吸濕凝膠矩陣（HAM）。HAM不但具有優異的吸濕性，還具備與商業鞋墊幾乎相當的彈性。通過將HAM與鞋墊集成，在保證舒適性的前提下可以實現對足底微環境的濕度管理，防止汗液積累和細菌滋生。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310020

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（責任編輯：xu）

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