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東華大學朱美芳院士/葉長懷團隊 AFM:具有優異力學和隔熱性能二氧化硅/芳綸納米纖維雙網絡復合氣凝膠纖維用于耐火型摩擦納米發電機
2024-08-24  來源:高分子科技

  摩擦納米發電機(TENG)可以為可穿戴電子設備提供持續的電力,在智能防護織物領域具有潛在應用。氣凝膠纖維因其輕質和優異的隔熱性能,是一種較為理想的制備極端環境用柔性摩擦納米發電機的材料,如用于消防服等消防設備。然而,傳統的無機氣凝膠脆性大、力學性能差,限制了其在柔性TENG中的應用。而有機的聚合物基氣凝膠纖維雖然韌性好,但是耐火性能差,難以在火災等極端環境中穩定使用。


  針對這些問題,東華大學材料科學與工程學院葉長懷教授、朱美芳院士團隊設計了一種新型的雙網絡結構二氧化硅/芳綸納米纖維復合氣凝膠纖維,克服了現有材料的局限,提供了一種既具備優異耐火和隔熱性能,又具有良好韌性的柔性氣凝膠纖維材料。通過濕法紡絲,在芳綸納米纖維濕凝膠網絡中生長具有更小尺度的納米二氧化硅網絡,進一步通過冷凍干燥方法制備得到雙納米網絡的有機-無機氣凝膠纖維(圖1)。基于這種納米雙網絡結構特點,復合氣凝膠纖維結合了二氧化硅和芳綸納米纖維氣凝膠性能上的優勢,具有95%的孔隙率,高拉伸強度(3.4 MPa),低熱導率(0.033 W/(m·K),大比表面積(587 m2/g)和優異的耐火性能(極限氧指數47.7%)。通過測試發現,基于復合氣凝膠纖維編織的織物在液氮中能反復彎曲而不破壞氣凝膠的孔結構。用機器反復拍打復合氣凝膠織物10000次來模擬織物實際使用場景,發現織物的重量幾倍維持不變,沒有傳統無機氣凝膠易掉粉的現象。另外,因為無機氣凝膠網絡中含有MTES硅源,復合氣凝膠織物顯示出疏水性能,具有128°的靜態接觸角,并且在水中浸泡12小時以上,織物仍能浮于水面上,說明液態水不能進入復合氣凝膠納米孔中。


  通過燃燒試驗,研究人員發現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,而復合氣凝膠纖維具有自熄、無熔滴的優異阻燃耐火性能。厚度為3.5mm的復合氣凝膠織物暴露在酒精燈火焰5分鐘,火焰仍無法燒穿織物。將復合氣凝膠織物作為TENG的摩擦層制備的TENG具有穩定的電輸出性能,在整流后能點亮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%,顯示出極高的穩定性。這種有機無機雙網絡氣凝膠纖維的制備策略為開發高性能和多功能氣凝膠纖維材料應用于極端環境提供了更多可能性。


1 二氧化硅/芳綸雙網絡氣凝膠纖維的制備機理及微觀和宏觀結構


2 (a) M-T/ANF氣凝膠纖維與傳統阻燃材料的LOI值比較。(b) ANF氣凝膠纖維和M-T/ANF復合氣凝膠纖維的HRR曲線。(c) M-T/ANF復合氣凝膠織物經過燃燒測試后的光學顯微鏡圖。(d) 使用酒精燈對純ANF氣凝膠纖維進行垂直燃燒測試。(e) 使用酒精燈對M-T/ANF復合氣凝膠纖維進行垂直燃燒測試。(f) M-T/ANF復合氣凝膠織物暴露于火焰下不同時間的情況。


3 (a) 垂直接觸-分離模式下TENG的摩擦發電機制。(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) 充電系統的電路圖。(d) 用手拍打復合氣凝膠織物點亮串聯連接的10個紅色LED燈。(e) TENG暴露于火焰5秒后的情況及燃燒后的復合氣凝膠織物的照片。(f) TENG被燃燒5秒后的電輸出結果。(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為題發表在Advanced Functional Materials期刊上。東華大學碩士研究生李佳為該工作的第一作者,葉長懷教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及清源創新實驗室重大項目資助。


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

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(責任編輯:xu)
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