搜索:  
中国海洋大学徐晓峰教授课题组 AFM:可控制备多维度吸湿性全聚合物复合材料实现高效湿度管理和蒸发冷却
2023-11-29  来源:高分子科技

图1.具有可洗涤性、透气性、耐久性等特点的2D织物用于蒸发冷却、湿度管理和体感温度调节。


  本项工作基于两种吸湿聚合物及其多重网络交联策略,利用气流辅助静电纺丝技术制备了兼具吸湿性、耐用性、延展性、透气性、耐洗性和抗菌性等性能的1D纳米纤维和2D多孔织物,实现了高效的大气水吸附、湿度管理、蒸发冷却和体感温度调节。此外,利用3D打印技术制备了具备多尺度孔隙结构的吸湿3D凝胶,揭示出利用最少量吸湿材料获得高效吸湿性能的方法。该工作研究了吸湿性复合高分子材料的可控制备方法,凸显了主动吸附式的全聚合物材料在大气水收集和个人热管理等领域的应用前景。本工作以Self-Contained Moisture Management and Evaporative Cooling through 1D to 3D Hygroscopic All-Polymer Composites为题发表在《Advanced Functional Materials》上。本项工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省泰山学者青年项目、山东省自然科学基金青岛市自然科学基金等项目的支持。本项工作获得英国剑桥大学化学学院、中国海洋大学化学化工学院和海洋生命学院多位合作导师的协助和支持 


 2.a)气流辅助静电纺丝制备全聚合物吸湿织物流程图、化学结构式与交联反应。不同织物纳米纤维的(b)平均直径c水蒸汽吸附性能和(d拉伸强度和断裂伸长率汇总。


  利用气流辅助静电纺丝的方法,克服了传统静电方式技术的缺点,制备了基于吸湿性聚合物海藻酸钠(SA)和聚乙烯亚胺(PEI)的复合纳米纤维。利用多重交联反应克服了吸湿聚合物在高湿度环境中的溶解性,保证了纳米纤维稳定结构,吸湿纤维实现了超过50次无衰减的吸湿/脱附循环,在水溶液中能表现出优异的耐洗性。多孔的纤维结构不仅保证了其透气性,也能显著促进吸湿织物的快速吸湿和脱附动力学。聚乙烯亚胺表面丰富的质子化氨基也赋予了织物优异的抑菌性能。 


图 3.(a)吸湿织物的脱附示意图;吸湿织物在不同光照强度下(b)表面温度及水含量的变化;(c)吸湿织物在不同温度下的脱附速率图;吸湿织物与已报道干燥剂在(e)1 sun光照强度下与(f)不同温度下的脱附速率对比图。(g)吸湿织物在户外光照下的实物图与红外图像;(h)吸湿织物在户外环境中一天可实现多次吸湿和脱附循环。


  得益于在高湿度环境中稳定的纳米纤维结构,吸湿织物还能够在广泛的湿度范围内实现快速吸湿,能够在较广的太阳光照强度与温度范围内实现快速脱附,其脱附速率远高于大多数其他已报道的干燥剂,且可以利用低级热源(即太阳能和体热等)实现快速脱附。在户外真实测试条件下,吸湿织物在一天内能够实现五次吸湿/脱附循环。 


 4. a除湿过程中织物水含量的变化和b周围空气的相对湿度变化。c不同织物透气性能表征d除湿过程中空气相对湿度的变化。手放入含有吸湿织物的环境e)之前和(f)之后的红外图像。g热指数总结图。(h)和(i人体排汗对照实验


  吸湿织物能够有效吸收空气中的水蒸气来降低皮肤与织物间微环境的相对湿度,减少皮肤表面汗液的蒸发阻力,有效促进汗液蒸发带走热量。面积为200 cm2的吸湿织物能够将密闭容器(20×20×20 cm3)的相对湿度在30分钟内从92%迅速降低至51.5%,手掌温度从34.5 ℃降低至32.6 ℃。同时,吸湿织物还可以将热指数从71.0 ℃降低至37.2 ℃,极大改善了人体的热舒适度。最后,吸湿织物还可以有效防止衣服上出现汗渍,提高穿着舒适性,防止细菌滋生。 


图5.(a)三维打印吸湿基质(HAM)的示意图和照片。(b)剪切速率扫描下墨水的剪切粘度。(c)墨水的流变性能表征:振荡应力扫描下的 G′和 G″。(d)HAM的循环压缩测试。(e)不同相对湿度下HAM的吸湿性能。(f)不同温度下 HAM 的解吸附性能。(g)HAM 集成鞋垫的照片。(h)含有 HAM 的鞋垫和纯 HAM凝胶的抗压强度、应力保持和变形性能总结。(i)模拟鞋内部环境湿度管理实验(插入图片显示实验装置)。


  将吸湿材料SAPEI与纳米纤维素混合,利用3D打印技术制备出了三维吸湿凝胶矩阵(HAM)。HAM不但具有优异的吸湿性,还具备与商业鞋垫几乎相当的弹性。通过将HAM与鞋垫集成,在保证舒适性的前提下可以实现对足底微环境的湿度管理,防止汗液积累和细菌滋生。


  原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310020

版权与免责声明:中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn,并请注明出处。
(责任编辑:xu)
】【打印】【关闭

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯
更多>>科教新闻