皮毛是哺乳動物適應環境溫度的秘密武器。比如兔毛和北極熊毛之類的天然纖維，具有優異的隔熱性能、彈性和其他機械性能，其隔熱功能主要來源于其特殊的空心結構或多孔結構。
(相關資料圖)
近日，國際期刊《復合材料B：工程》在線發表了浙江理工大學傅雅琴教授團隊的研究成果。該團隊通過靜電紡絲和浸漬工藝，制備出具有仿兔毛單髓腔結構的二氧化硅/聚酰亞胺復合納米纖維。實驗證明，這一復合纖維克服了純二氧化硅纖維膜拉伸強度低和耐用性較差的缺點，還具備質輕、防火等性能，具有廣泛的應用前景。
用二氧化硅紡出竹節結構
用光學透射顯微鏡觀察兔毛，可見其內部呈規則的、竹節形狀的空心結構。這一結構下的兔毛，內部密封了大量的靜止空氣。靜止空氣分子的自由運動受到限制，使得兔毛沿徑向具有很低的導熱系數。
“通過靜電紡絲獲得的二氧化硅納米纖維，具有良好的隔熱性能，在高溫下穩定性好，無毒，制備原料也廉價。”論文通訊作者、浙江理工大學材料科學與工程學院司銀松副教授介紹，“基于前期的研究，我們想到在空心二氧化硅納米纖維中再嵌入空心二氧化硅微球，來模擬兔毛內部結構，進一步改善隔熱性能，這要用到同軸靜電紡絲技術。”
他解釋道，同軸靜電紡絲技術“粗中有細”，好比制作夾心棒，是在兩個內徑不同但同軸的細管中分別注入芯層和殼層紡絲液，二者在噴頭末端匯合，在電場力的作用下溶劑快速揮發、溶質逐漸被牽伸拉長成為納米纖維。
聚乙烯醇（PVA）是紡紗工藝中的常見原料，其溶液有很好的黏接性和成膜性。此次研究中，該團隊將PVA溶液和二氧化硅空心微球作為芯層紡絲液，PVA與二氧化硅小分子溶膠作為殼層紡絲液，經過同軸靜電紡絲，再經過烘干、煅燒，就制成了內部呈竹節狀空心結構的仿兔毛二氧化硅納米纖維。
無機陶瓷納米纖維材料因其重量輕、不燃、耐火、耐腐蝕、隔熱性能優異等特點，被認為是航空航天、建筑、工業管道、耐火服等領域極具潛力的隔熱材料之一。然而，無機陶瓷纖維普遍很脆，其薄膜的拉伸強度通常較低，這嚴重限制了其廣泛應用。
“在無機納米纖維中引入空心結構或多孔納米顆粒，其纖維膜可能會更脆。”司銀松說，如何既提升隔熱性，又不失柔韌性，是本次研究的關鍵，也很具挑戰性。
“多面手”材料提升力學性能
聚酰亞胺被稱為高分子材料中的“多面手”，在航空、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域均有所應用，其薄膜有“黃金薄膜”之稱。
司銀松說，聚酰亞胺具有優異的熱穩定性、耐化學性和優異的力學性能。理論上，竹節狀空心結構和聚酰亞胺薄層的協同效應可以克服無機納米纖維的脆性，同時不顯著降低其整體熱穩定性和隔熱性能。
研究團隊發現，僅需簡單浸漬，兔毛狀的二氧化硅納米纖維表面被附上聚酰亞胺薄層后，竹節形狀的空心結構可以使纖維內部保持大量的靜止空氣，有利于隔熱；聚酰亞胺薄層賦予了復合納米纖維良好的力學性能。
根據實驗數據，二氧化硅/聚酰亞胺復合納米纖維膜的拉伸強度可達19.7兆帕，約為浸漬前的10.1倍；經過20000次動態彎曲循環，沒有表現出明顯的損傷；可以承受至少500次摩擦循環，表現出良好的耐久性。
“這些出色的特性主要歸因于復合纖維膜中形成的3D網絡結構以及對單根二氧化硅納米纖維的浸漬增強效應。”司銀松說，從宏觀角度而言，這一復合納米纖維的強度還取決于纖維與纖維之間的相互作用力。聚酰亞胺的涂覆，使得纖維在交結處能更好地黏結起來，受到拉拽時就有很多根纖維同時受力，整體強度就高。
此外，二氧化硅/聚酰亞胺復合納米纖維膜的導熱系數遠低于天然兔毛的導熱系數，彎曲剛度則明顯低于普通A4打印紙，這為開發實用的耐久隔熱材料提供了一種簡單的策略。
司銀松表示，高精儀器、航天運輸、消防安全等領域，普遍需要隔熱、輕質、防火等綜合性能更優的隔熱材料，該研究得到的仿兔毛結構二氧化硅/聚酰亞胺復合納米纖維在這方面就具有很大優勢。接下來，團隊將提升這一復合纖維的制備效率，結合減少能源浪費、防止熱損傷、減輕設備重量/占用體積、提高穿戴舒適性等具體需求，逐步開展成果轉化。
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