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中國科大龔興龍教授團(tuán)隊(duì) CEJ：具有熱-力-電耦合特性的遠(yuǎn)程溫度報(bào)警織物
2024-11-01  來源：高分子科技

  隨著科技的進(jìn)步，眾多具備獨(dú)特性能的新型材料不斷涌現(xiàn)，極大地豐富了人們的日常生活，并在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中，聚硼硅氧烷因其別具一格的特性而深受研究者們的矚目，在振動(dòng)控制、能量吸收以及沖擊防護(hù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。作為一種粘彈性聚合物，聚硼硅氧烷的動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是通過聚二甲基硅氧烷前體與硼酸之間可逆的硼-氧（B-O）鍵交聯(lián)而成的。這種材料，也被稱為剪切變硬膠（SSG），憑借其出色的剪切變硬效應(yīng)以及動(dòng)態(tài)B-O鍵所特有的頻率依賴性可逆結(jié)合/解離特性，在多功能防護(hù)材料的研發(fā)中顯露出了巨大的潛力。然而，SSG本身存在的自然蠕變現(xiàn)象，為其在防護(hù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用帶來了不小的挑戰(zhàn)。


  近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)在《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表了一篇題為“Superior filaments-based fabric with thermal-mechanical-electrical coupling properties for remote temperature alarm”的論文。該研究工作成功制備了一種集熱-力-電耦合性能于一體的防護(hù)織物。研究過程中，團(tuán)隊(duì)首先利用煉膠機(jī)將SSG與TPU（熱塑性聚氨酯）進(jìn)行充分混合，隨后通過熱熔擠出法制備出了復(fù)合絲線。值得一提的是，在配方中加入了適量的阻燃劑——膠囊化多磷酸銨后，使得這種材料在保持原有優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上，獲得了良好的阻燃特性。由該復(fù)合絲線編織而成的織物，能夠在面對(duì)明火時(shí)展現(xiàn)出強(qiáng)大的抵抗力，即便持續(xù)燃燒19秒也能保持結(jié)構(gòu)的完整性。


圖1. 復(fù)合絲線的制備過程及其基本性能表征


  相比于純TPU，引入SSG后的復(fù)合材料表面光滑并且無孔洞（圖1b）。得益于高性能TPU與SSG所具備的剪切變硬效應(yīng)，二者協(xié)同作用使得復(fù)合材料在力學(xué)性能上有了顯著提升，并表現(xiàn)出優(yōu)異的能量耗散能力（圖1f）。此外，隨著阻燃劑添加量的增加，復(fù)合絲線的力學(xué)強(qiáng)度也呈現(xiàn)出穩(wěn)定的增長趨勢(shì)（圖1n）。


圖2. 織物的拉伸性能


  進(jìn)一步地，利用高性能絲線進(jìn)行編織。編織出的織物不僅呈現(xiàn)出多樣化的結(jié)構(gòu)，還具備獨(dú)特的力學(xué)性能（圖2a-c），其中，織物在經(jīng)度和緯度方向上的拉伸性能也各有特色。此外，這些織物還展現(xiàn)出了卓越的耐水洗性和耐磨損性，確保了其長久的使用壽命和實(shí)用性（圖2f和h）。


圖3. 落錘抗沖擊測(cè)試


  由該高性能絲線編織而成的織物，展現(xiàn)出了顯著的力耗散特性。與采用商用絲線編織的織物相比，它在受到?jīng)_擊時(shí)呈現(xiàn)出更低的峰值沖擊力以及更長的緩沖時(shí)間段（圖3c）。這一特性意味著，當(dāng)織物受到外力沖擊時(shí)，能夠有效吸收并耗散大量的沖擊能量，從而提供出色的防護(hù)效果。另外，織物中的孔洞結(jié)構(gòu)對(duì)其抗沖擊性能的影響相對(duì)較。▓D3e），進(jìn)一步證明了這種高性能絲線編織物的優(yōu)越性和實(shí)用性。


圖4. 織物應(yīng)用


  將商用護(hù)膝的中間部分替換為本研究中所開發(fā)的高性能織物后，相較于原始的商用護(hù)膝，改良后的護(hù)膝在抗沖擊性能方面展現(xiàn)出了更為卓越的表現(xiàn)（圖4a-d）。在同等質(zhì)量條件下，本研究織物所承受的峰值沖擊力明顯低于商用夾層材料，證明了本研究織物在力學(xué)防護(hù)方面的顯著優(yōu)勢(shì)（圖4f和g）。此外，將結(jié)合了MXene的導(dǎo)電絲線巧妙地嵌入到織物之中（圖4h），使得織物能夠通過監(jiān)測(cè)電阻的變化來實(shí)時(shí)反饋所受到的力學(xué)沖擊刺激（圖4j），為護(hù)膝的智能化和監(jiān)測(cè)功能提供了新的可能性。


圖5. 隔熱性能和熱成像測(cè)試


  由該高性能絲線編織而成的織物，也展現(xiàn)出了優(yōu)異的隔熱性能（圖5a）。不同的編織結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)織物的隔熱性能產(chǎn)生顯著影響（圖5b）。為了探究織物孔洞對(duì)隔熱性能的影響，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明孔洞尺寸較小的織物展現(xiàn)出了更為出色的隔熱性能（圖5e）。在面臨長達(dá)19秒的持續(xù)燃燒測(cè)試時(shí)，這種織物能夠在離開火源后自行熄滅，顯示其良好的阻燃特性。同樣值得一提的是，嵌入在織物中的導(dǎo)電絲線能夠?qū)崟r(shí)反饋不同的溫度變化，為織物的溫度監(jiān)測(cè)提供了有力的支持。


圖6. 織物應(yīng)用于火災(zāi)救援


  這種高性能絲線能夠編織成多種防護(hù)性織物（圖6a），并且展現(xiàn)出卓越的彈性（圖6b）。與市售的商用消防服相比，采用這種絲線編織的織物在力-熱耦合防護(hù)性能方面表現(xiàn)更為出色（圖6c和d）。此外，通過將導(dǎo)電絲線巧妙地融入編織織物中，并結(jié)合遠(yuǎn)程溫度報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新的火災(zāi)救援應(yīng)用（圖6g），為消防安全和救援工作提供了更為高效和智能的解決方案。


  綜上所述，本研究通過簡(jiǎn)便高效的熔融擠出技術(shù)，成功開發(fā)出一種兼具抗沖擊與阻燃特性的高性能絲線。由其編織而成的織物不僅具備出色的力-熱耦合防護(hù)效果，還能與導(dǎo)電絲線相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)力/熱雙重報(bào)警功能。因此，這種高性能絲線及其編織的織物有望成為下一代防護(hù)型織物的佼佼者。


  論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士研究生陳紅，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院龔興龍教授和桑敏特任副研究員。該研究得到了中國國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、以及中國博士后科學(xué)基金的資助和支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156856

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