摘要
体温的调节在维持人体的正常功能中起着关键作用。然而，普通的天然纤维或合成纤维导热系数较高，制成的衣服保暖性能一般，改进有限。为达到极佳的保暖效果，一般都需要增加衣服的厚度和重量，这与服装轻量化、简单方便的发展趋势和市场需求不符。气凝胶作为一类纳米多孔结构的固体材料，具有低导热系数、高比表面积、低密度等优点，使其在轻质隔热应用领域中有着独特的优越性。然而，从应用的角度来看，传统的气凝胶具有易吸水、易碎、可穿戴性差以及形状适应性差等缺点，故用于日常服装的商业气凝胶产品十分有限。因此，选用一种来源广泛且易加工的原料，使用一种简单、可行、可批量化生产的方法，制备力学性能好、导热系数低、防水透气的保暖服用气凝胶具有重要的科学意义和商业价值。 本文以制备具有柔韧性和良好保温隔热性能的气凝胶为目标，选用成本低、生物降解性好、无毒的醋酸纤维素为原料，结合静电纺丝技术与纤维冷冻成型工艺，将一维纳米纤维分散体转化为具有三维网络结构的气凝胶，而不涉及任何溶剂交换，开发制备了具有良好保温隔热性能的醋酸纤维素气凝胶。在此基础上，进一步制备了封闭水性异氰酸酯（BIC）/醋酸纤维素（CA）复合纳米纤维，并以此为骨架，经原位交联构筑了“类蜂窝”结构的超弹气凝胶，使得气凝胶的力学性能得到了显著提升。所取得的研究成果如下： 通过静电纺丝法制备出了表面光滑无串珠的醋酸纤维素纳米纤维，通过调节分散液中纳米纤维的含量可以制备不同密度的醋酸纤维素纳米纤维气凝胶。随着醋酸纤维素纳米纤维气凝胶的密度从5.5mg·cm-3上升到10.2mg·cm-3，应变为60%时的压缩应力从0.63kPa提高到2.78kPa，导热系数从25.26mW·m-1·K-1增加到31.57mW·m-1·K-1。醋酸纤维素纳米纤维气凝胶的力学稳定性和低导热系数使其有望应用于保暖服装等领域。 基于上述研究的基础，在不显著增加纳米纤维气凝胶密度、孔隙率和导热率的前提下，以提高力学性能为目的，通过静电纺丝的方法制备了BIC/CA复合纳米纤维，经过冷冻成型，原位交联，最终构筑了具有“类蜂窝”结构的超弹复合气凝胶。其中静电纺丝方法制备的不同BIC/CA质量比的复合纳米纤维膜表面均光滑无串珠，且随着BIC比例的增加，纳米纤维的平均直径从391nm增大到876nm。进一步得到的均一稳定BIC/CA复合纳米纤维分散液经冷冻干燥后热交联制备了BIC/CA复合纳米纤维气凝胶（HNFA）。单轴准静态压缩应力-应变测试结果显示，在相近的密度下，BIC/CA比例为0.75的复合纳米纤维气凝胶（HNFA-0.75）的抗压强度接近于醋酸纤维素纳米纤维气凝胶的2倍，同时相比于醋酸纤维素纳米纤维气凝胶表现出的明显塑性变形，HNFA-0.75经过10次压缩循环后可完全恢复原始形貌。证明我们成功实现了在不改变纳米纤维气凝胶密度的情况下显著提高其抗压强度和弹性性能。 当BIC/CA比值小于0.75时，HNFA的压缩应力随着BIC/CA比值的增加而持续增加，当BIC/CA比值超过1时，压缩应力开始呈下降趋势，后随BIC/CA比值的增加压缩应力继续减小，与气凝胶的微观结构变化一致。其中密度为7.5mg·cm-3的HNFA-0.75具有良好的弹性压缩性能，在承受90%的大压缩形变后能够快速恢复，且在经受20000次弯折后仍能恢复原始形貌，具有较强的抗疲劳性能，且在超低温（-196℃）下仍然具有较好的弹性。同时，HNFA极低的导热系数（27.2~28.4mW·m-1·K-1）赋予其极好的保暖性能，同时其具有良好的透气性和超疏水性能，静态接触角为162°，证明其在轻质隔热保暖服装方面有广泛的应用前景。
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