柔性二氧化硅纳米纤维膜的制备及其在隔热领域的应用

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作为节能减排和热防护的重要途径,隔热在建筑、船舶、窑炉、管道、航空航天、热电池和防火服等领域具有广泛的应用和需求。隔热的核心在于隔热材料,陶瓷纤维隔热材料具有重量轻、耐高温、隔热性能优异、耐机械震动、无毒性等优点,已成为热防护系统中最具发展潜力的隔热材料。然而,传统陶瓷纤维虽然具有诸多良好的性能,但是也由于其质脆、强度差而限制了它的应用。因此,在着力保留其原有良好性能的同时,开发和研究具有优异柔性、较高强度的陶瓷纤维便有十分重要的意义。纳米技术的出现,为开发柔性好、强度高的陶瓷纳米纤维隔热材料的带来了希望和思路。在已有纳米纤维的制备技术中,静电纺丝具有生产成本低,纤维连续好、性能可控等优势,是目前最具潜力实现纳米纤维材料工业化生产的技术。在静电纺丝制备二氧化硅(SiO2)纳米纤维的现有研究中,一方面存在纺丝难度大,纤维膜疵点多、产量低等问题,另一方面有关SiO2纳米纤维膜自身的柔性和力学性能等与实际应用紧密相关的研究却相对较少。本课题针对以上问题,选择聚乙烯醇(PVA)作为静电纺聚合物模板,同时调节正硅酸乙酯(TEOS)水解工艺获得了可纺性优异的前驱体溶液,在优化的纺丝工艺下制备出无疵点的SiO2纳米纤维膜,并将SiO2纤维膜的产量在现有研究水平上提高了5倍以上。为了获得强度高、柔性好的SiO2纳米纤维膜,本课题通过设置不同的煅烧温度以及在前驱体溶液中加入不同质量分数的氯化钠(NaCl),来研究煅烧温度和NaCl的含量对SiO2纳米纤维膜形貌结构的影响,以及SiO2纳米纤维膜的微观结构对其宏观柔性和拉伸性能的影响。结果表明煅烧温度和NaCl浓度对SiO2纳米纤维膜微观结构的影响不尽相同,通过煅烧温度的提高使纤维膜获得整体的粘连结构,这种结构使纤维失去调整自身形状和相对位置的能力,从而恶化了纤维膜的力学性能;而通过在前驱体中加入适量浓度的NaCl不仅可以获得纤维直径更细的SiO2纳米纤维,而且NaCl的存在使纤维膜获得分散的、局部的粘连结构,这种微观结构能够保证纤维膜在受力和变形时,其内部有足够的纤维能够产生变形和相对滑移,同时纤维膜中粘连点的存在也增加了纤维膜断裂时受力纤维的个数,这就使得纤维膜在保证柔性的同时提高了其拉伸强度。因此,本课题不仅通过微观结构的调控制备出强度进一步提高的柔性SiO2纳米纤维膜,而且促进了静电纺SiO2纳米纤维工业化进程,为其实际应用奠定了良好基础。本课题获得的SiO2纳米纤维膜具有轻质、柔性、抗震、可穿戴、制备过程环境友好等特点,对其进行隔热测试表明,SiO2纳米纤维膜在常温下具有超低的导热系数,在实际应用中也表现出优异的隔热效果。因此,SiO2纳米纤维膜作为一种理想的隔热材料,将在隔热领域发挥重要作用。
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