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中國海洋大學(xué)徐曉峰教授課題組 AFM：可控制備多維度吸濕性全聚合物復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)高效濕度管理和蒸發(fā)冷卻

2023-11-29 來源：高分子科技

圖1.具有可洗滌性、透氣性、耐久性等特點(diǎn)的2D織物用于蒸發(fā)冷卻、濕度管理和體感溫度調(diào)節(jié)。

本項(xiàng)工作基于兩種吸濕聚合物及其多重網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)策略，利用氣流輔助靜電紡絲技術(shù)制備了兼具吸濕性、耐用性、延展性、透氣性、耐洗性和抗菌性等性能的1D納米纖維和2D多孔織物，實(shí)現(xiàn)了高效的大氣水吸附、濕度管理、蒸發(fā)冷卻和體感溫度調(diào)節(jié)。此外，利用3D打印技術(shù)制備了具備多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的吸濕3D凝膠，揭示出利用最少量吸濕材料獲得高效吸濕性能的方法。該工作研究了吸濕性復(fù)合高分子材料的可控制備方法，凸顯了主動(dòng)吸附式的全聚合物材料在大氣水收集和個(gè)人熱管理等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本項(xiàng)工作以“Self-Contained Moisture Management and Evaporative Cooling through 1D to 3D Hygroscopic All-Polymer Composites”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。本項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、山東省泰山學(xué)者青年項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金和青島市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。本項(xiàng)工作獲得英國劍橋大學(xué)化學(xué)學(xué)院、中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院和海洋生命學(xué)院多位合作導(dǎo)師的協(xié)助和支持。

圖2.（a）氣流輔助靜電紡絲制備全聚合物吸濕織物流程圖、化學(xué)結(jié)構(gòu)式與交聯(lián)反應(yīng)。不同織物納米纖維的（b）平均直徑；（c）水蒸汽吸附性能和（d）拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率匯總。

利用氣流輔助靜電紡絲的方法，克服了傳統(tǒng)靜電方式技術(shù)的缺點(diǎn)，制備了基于吸濕性聚合物海藻酸鈉（SA）和聚乙烯亞胺（PEI）的復(fù)合納米纖維。利用多重交聯(lián)反應(yīng)克服了吸濕聚合物在高濕度環(huán)境中的溶解性，保證了納米纖維穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，吸濕纖維實(shí)現(xiàn)了超過50次無衰減的吸濕/脫附循環(huán)，在水溶液中能表現(xiàn)出優(yōu)異的耐洗性。多孔的纖維結(jié)構(gòu)不僅保證了其透氣性，也能顯著促進(jìn)吸濕織物的快速吸濕和脫附動(dòng)力學(xué)。聚乙烯亞胺表面豐富的質(zhì)子化氨基也賦予了織物優(yōu)異的抑菌性能。

圖 3.（a）吸濕織物的脫附示意圖；吸濕織物在不同光照強(qiáng)度下（b）表面溫度及水含量的變化；（c）吸濕織物在不同溫度下的脫附速率圖；吸濕織物與已報(bào)道干燥劑在（e）1 sun光照強(qiáng)度下與（f）不同溫度下的脫附速率對比圖。（g）吸濕織物在戶外光照下的實(shí)物圖與紅外圖像；（h）吸濕織物在戶外環(huán)境中一天可實(shí)現(xiàn)多次吸濕和脫附循環(huán)。

得益于在高濕度環(huán)境中穩(wěn)定的納米纖維結(jié)構(gòu)，吸濕織物還能夠在廣泛的濕度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速吸濕，能夠在較廣的太陽光照強(qiáng)度與溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速脫附，其脫附速率遠(yuǎn)高于大多數(shù)其他已報(bào)道的干燥劑，且可以利用低級熱源（即太陽能和體熱等）實(shí)現(xiàn)快速脫附。在戶外真實(shí)測試條件下，吸濕織物在一天內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)五次吸濕/脫附循環(huán)。

圖4. （a）除濕過程中織物水含量的變化和（b）周圍空氣的相對濕度變化。（c）不同織物透氣性能表征。（d）除濕過程中空氣相對濕度的變化。將手放入含有吸濕織物的環(huán)境（e）之前和（f）之后的紅外圖像。（g）熱指數(shù)總結(jié)圖。（h）和（i）人體排汗對照實(shí)驗(yàn)。

吸濕織物能夠有效吸收空氣中的水蒸氣來降低皮膚與織物間微環(huán)境的相對濕度，減少皮膚表面汗液的蒸發(fā)阻力，有效促進(jìn)汗液蒸發(fā)帶走熱量。面積為200 cm²的吸濕織物能夠?qū)⒚荛]容器（20×20×20 cm³）的相對濕度在30分鐘內(nèi)從92%迅速降低至51.5%，手掌溫度從34.5 ℃降低至32.6 ℃。同時(shí)，吸濕織物還可以將熱指數(shù)從71.0 ℃降低至37.2 ℃，極大改善了人體的熱舒適度。最后，吸濕織物還可以有效防止衣服上出現(xiàn)汗?jié)n，提高穿著舒適性，防止細(xì)菌滋生。

圖5.（a）三維打印吸濕基質(zhì)（HAM）的示意圖和照片。（b）剪切速率掃描下墨水的剪切粘度。（c）墨水的流變性能表征：振蕩應(yīng)力掃描下的 G′和 G″。（d）HAM的循環(huán)壓縮測試。（e）不同相對濕度下HAM的吸濕性能。（f）不同溫度下 HAM 的解吸附性能。（g）HAM 集成鞋墊的照片。（h）含有 HAM 的鞋墊和純 HAM凝膠的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力保持和變形性能總結(jié)。（i）模擬鞋內(nèi)部環(huán)境濕度管理實(shí)驗(yàn)（插入圖片顯示實(shí)驗(yàn)裝置）。

將吸濕材料SA、PEI與納米纖維素混合，利用3D打印技術(shù)制備出了三維吸濕凝膠矩陣（HAM）。HAM不但具有優(yōu)異的吸濕性，還具備與商業(yè)鞋墊幾乎相當(dāng)?shù)膹椥浴Ｍㄟ^將HAM與鞋墊集成，在保證舒適性的前提下可以實(shí)現(xiàn)對足底微環(huán)境的濕度管理，防止汗液積累和細(xì)菌滋生。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310020

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（責(zé)任編輯：xu）

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