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中國科大龔興龍教授團隊 CEJ:具有熱-力-電耦合特性的遠程溫度報警織物
2024-11-01  來源:高分子科技

  隨著科技的進步,眾多具備獨特性能的新型材料不斷涌現,極大地豐富了人們的日常生活,并在基礎設施建設領域得到了廣泛應用。其中,聚硼硅氧烷因其別具一格的特性而深受研究者們的矚目,在振動控制、能量吸收以及沖擊防護等領域展現出廣闊的應用前景。作為一種粘彈性聚合物,聚硼硅氧烷的動態共價網絡結構是通過聚二甲基硅氧烷前體與硼酸之間可逆的硼-氧(B-O)鍵交聯而成的。這種材料,也被稱為剪切變硬膠(SSG),憑借其出色的剪切變硬效應以及動態B-O鍵所特有的頻率依賴性可逆結合/解離特性,在多功能防護材料的研發中顯露出了巨大的潛力。然而,SSG本身存在的自然蠕變現象,為其在防護領域的實際應用帶來了不小的挑戰。


  近日,中國科學技術大學龔興龍教授團隊在《Chemical Engineering Journal》上發表了一篇題為“Superior filaments-based fabric with thermal-mechanical-electrical coupling properties for remote temperature alarm”的論文。該研究工作成功制備了一種集熱--電耦合性能于一體的防護織物。研究過程中,團隊首先利用煉膠機將SSGTPU(熱塑性聚氨酯)進行充分混合,隨后通過熱熔擠出法制備出了復合絲線。值得一提的是,在配方中加入了適量的阻燃劑——膠囊化多磷酸銨后,使得這種材料在保持原有優異性能的基礎上,獲得了良好的阻燃特性。由該復合絲線編織而成的織物,能夠在面對明火時展現出強大的抵抗力,即便持續燃燒19秒也能保持結構的完整性。



圖1. 復合絲線的制備過程及其基本性能表征


  相比于純TPU,引入SSG后的復合材料表面光滑并且無孔洞(圖1b)。得益于高性能TPUSSG所具備的剪切變硬效應,二者協同作用使得復合材料在力學性能上有了顯著提升,并表現出優異的能量耗散能力(圖1f)。此外,隨著阻燃劑添加量的增加,復合絲線的力學強度也呈現出穩定的增長趨勢(圖1n)。



圖2. 織物的拉伸性能


  進一步地,利用高性能絲線進行編織。編織出的織物不僅呈現出多樣化的結構,還具備獨特的力學性能(圖2a-c),其中,織物在經度和緯度方向上的拉伸性能也各有特色。此外,這些織物還展現出了卓越的耐水洗性和耐磨損性,確保了其長久的使用壽命和實用性(圖2fh)。



圖3. 落錘抗沖擊測試


  由該高性能絲線編織而成的織物,展現出了顯著的力耗散特性。與采用商用絲線編織的織物相比,它在受到沖擊時呈現出更低的峰值沖擊力以及更長的緩沖時間段(圖3c)。這一特性意味著,當織物受到外力沖擊時,能夠有效吸收并耗散大量的沖擊能量,從而提供出色的防護效果。另外,織物中的孔洞結構對其抗沖擊性能的影響相對較小(圖3e),進一步證明了這種高性能絲線編織物的優越性和實用性。



圖4. 織物應用


  將商用護膝的中間部分替換為本研究中所開發的高性能織物后,相較于原始的商用護膝,改良后的護膝在抗沖擊性能方面展現出了更為卓越的表現(圖4a-d)。在同等質量條件下,本研究織物所承受的峰值沖擊力明顯低于商用夾層材料,證明了本研究織物在力學防護方面的顯著優勢(圖4fg)。此外,將結合了MXene導電絲線巧妙地嵌入到織物之中(圖4h),使得織物能夠通過監測電阻的變化來實時反饋所受到的力學沖擊刺激(圖4j),為護膝的智能化和監測功能提供了新的可能性。



圖5. 隔熱性能和熱成像測試


  由該高性能絲線編織而成的織物,也展現出了優異的隔熱性能(圖5a)。不同的編織結構會對織物的隔熱性能產生顯著影響(圖5b)。為了探究織物孔洞對隔熱性能的影響,進行了對比實驗,結果表明孔洞尺寸較小的織物展現出了更為出色的隔熱性能(圖5e)。在面臨長達19秒的持續燃燒測試時,這種織物能夠在離開火源后自行熄滅,顯示其良好的阻燃特性。同樣值得一提的是,嵌入在織物中的導電絲線能夠實時反饋不同的溫度變化,為織物的溫度監測提供了有力的支持。



圖6. 織物應用于火災救援


  這種高性能絲線能夠編織成多種防護性織物(圖6a),并且展現出卓越的彈性(圖6b)。與市售的商用消防服相比,采用這種絲線編織的織物在力-熱耦合防護性能方面表現更為出色(圖6cd)。此外,通過將導電絲線巧妙地融入編織織物中,并結合遠程溫度報警裝置,實現了一種創新的火災救援應用(圖6g),為消防安全和救援工作提供了更為高效和智能的解決方案。


  綜上所述,本研究通過簡便高效的熔融擠出技術,成功開發出一種兼具抗沖擊與阻燃特性的高性能絲線。由其編織而成的織物不僅具備出色的力-熱耦合防護效果,還能與導電絲線相結合,實現力/熱雙重報警功能。因此,這種高性能絲線及其編織的織物有望成為下一代防護型織物的佼佼者。


  論文的第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士研究生陳紅,通訊作者為中國科學技術大學工程科學學院龔興龍教授和桑敏特任副研究員。該研究得到了中國國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金、以及中國博士后科學基金的資助和支持。


  原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156856

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