正规配资网站《Chem. Eng. J.》：受仙人掌启发，开发高性能静电纺纤维隔热垫_纳米_沟槽

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建筑物的供暖和保温占总能源成本的50%以上 ，这强调了不仅迫切需要先进的隔热材料，而且迫切需要以自然为灵感的设计策略，以提高能源效率，解决全球能源危机。

在这项研究中，作者提出了一种一步制作方法，提高了聚合物纤维垫的隔热效率和机械性能。通过利用生物启发设计，研究者成功地通过精确控制原位静电纺丝过程中的湿度来制造纳米沟槽纤维。这种方法模仿了老翁柱仙人掌毛发的纳米沟槽形状，通过一种简单而有效的方法来调节纤维的纳米级形态。当应用于热水管道时，与传统的保温涂层相比，纳米沟槽纤维的表面温度降低了10 %。值得注意的是，该纳米沟槽纤维涂层每单位面积节能25%，每克材料质量比商用橡胶绝缘材料高约29倍。这项研究强调了纳米级表面形貌工程的关键作用，特别是在纳米沟槽结构的易于制造中，在减轻热传输过程中的能量和热量损失。基于湿度控制聚合物纤维结构的独特优势，这种方法能够开发灵活的高性能隔热材料，为各个领域的多功能应用开辟新的途径。相关研究内容以“Thermally insulating mats based on electrospun fibers with bioinspired nano-groove surface structure”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

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本文亮点：

• 纤维设计的灵感来自老翁柱仙人掌毛发的纳米沟槽结构。

• 与传统的绝缘涂层相比，纳米沟槽纤维的表面温度降低了约10%。

• 与橡胶绝缘材料相比，涂料每面积可节省25%的能源，重量效率可提高29倍。• 纳米级表面形貌显著提高隔热性能。

• 该方法可实现下一代节能保温材料的规模化生产。

该研究通过精准控制电纺过程中的相对湿度（RH），实现了一步法制备具有纳米沟槽结构（ngF）的聚合物纤维垫，具体机制如下：

湿度参数的差异化设置：实验中针对两种纤维形态（光滑纤维 sF 和纳米沟槽纤维 ngF）分别设定了特定湿度条件。其中，光滑纤维在 60% RH 下制备，而纳米沟槽纤维则在 30% RH 下制备。这一湿度差异是调控纤维表面形态的关键。

溶剂蒸发动力学的调控：湿度通过影响聚合物溶液中溶剂的蒸发速率和方式，决定了纤维表面的微观结构。在 30% 的低湿度环境中，溶剂（二甲基乙酰胺与四氢呋喃的混合液）蒸发速度更快，导致纤维表面形成显著的纳米级沟槽结构。这种沟槽的形成源于溶剂快速蒸发时，聚合物溶液表面张力不均引发的界面扰动，最终固化为稳定的纳米沟槽形貌。

与生物结构的仿生匹配：通过上述湿度控制，制备出的纳米沟槽纤维表面粗糙度（Ra≈119 nm）与仙人掌毛发（Ra≈131 nm）接近，成功仿生了天然结构的隔热特性。同时，纤维的直径（ngF 约 5.17 μm）、截面形态（圆形度 0.64）等参数也通过湿度调控得到精准控制，确保了纤维垫的整体性能。

这种基于湿度调控的一步法电纺工艺，无需额外后处理步骤，即可实现纳米尺度表面形貌的精准调控，为高效制备仿生隔热材料提供了简单且可规模化的技术路径。

图1受仙人掌毛启发，介绍静电纺丝仿生毛发纤维毡的策略及其在隔热方面的功能应用。

图2 仙人掌毛单根诱导聚合物纤维的形态、截面和表面研究。

图3 高分子纤维与仙人掌毛垫的隔热性能。

图4 商用和静电纺材料的导热系数比较。

图5纳米沟槽对ngF垫热流行为影响的示意图解释。

图6仙人掌毛启发纤维的传热模拟及节能分析。

结论：

本研究采用的新方法促成了可回收聚合物垫的研发，以此作为现有隔热材料的替代品。该研究成功制备出基于纳米沟槽纤维的隔热垫，与无纳米沟槽的纤维相比，其在所有温度下的温差（ΔT）均高出 65%。这表明，仿生模拟仙人掌毛发的纳米沟槽结构有助于研发出适用性广泛、柔韧性好、机械强度高且具有隔热性能的纤维垫。所有这些纤维垫都可通过在受控湿度条件下进行一步法静电纺丝轻松制备。

本研究清楚地表明，这些材料的隔热性能在很大程度上受到垫中单根纤维的粗糙度和形态的影响。重要的是，利用扫描热显微镜对单根纤维的性能进行了验证，并通过数值模拟从理论上予以证实。垫和涂层中纤维的随机排列通过捕获电纺非织造纤维纳米沟槽中的空气，增强了隔热效果。

受仙人掌毛发垫的启发，在相同实验条件下，纳米沟槽纤维（ngF）对水管的隔热效率比光滑纤维（sF）高出约 30%，比商用橡胶涂层高出约 10%。除了优异的隔热性能外，这些垫还展现出卓越的机械性能，尤其是纳米沟槽纤维垫的韧性和应变得到了显著提升。与商用隔热材料相比，纳米沟槽纤维涂层的单位面积节能效率高出 25%，每克材料的节能效果约为商用材料的 29 倍。

总之，该研究展示了一种实用且简单的一步法策略，以提高仿生纳米沟槽纤维垫作为隔热材料的适用性和有效性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166441

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发布于：江苏省

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