超弹阻燃微/纳米纤维海绵的可控制备及其保暖性能研究

作     者：张瑞鸿 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁彬

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：静电纺丝 纤维海绵 超弹 阻燃 保暖 

摘      要：当人体长时间处于寒冷环境中时,很容易冻伤,严重的甚至会引起死亡。防寒保暖材料可以蓄存大量的静止空气来降低热量散失,从而起到防寒保暖的作用。天然保暖材料主要有棉花、羽绒等,它们存在强度差、易吸湿等缺点,在高湿环境下保暖性能会急剧下降,因此逐渐被疏水性合成纤维集合体所取代。但是合成纤维的直径较粗(10μm),导致其保暖性能难以大幅提升。近年来静电纺丝技术已成为制备超细纤维材料的主要方法,其具有孔径小、形貌可控、制备过程简单等优点,在防寒保暖领域展现出巨大的应用前景。然而静电纺纤维通常是致密堆积的膜材料,蓬松度和孔隙率较低,限制了在防寒保暖领域的应用。近期研究人员通过静电直喷的方法一步制备出了具有较好保暖性能的超细纤维材料,但其极易燃烧且会产生熔滴,存在安全隐患,同时其力学稳定性差,蓬松结构易坍塌。因此,制备出一种兼具优良力学性能和阻燃性能的蓬松保暖纤维材料将具有重大意义。本课题首先以聚亚苯基砜(PPSU)和聚氨酯(PU)为聚合物原料制备了高保暖性能的蓬松纤维海绵,探究了环境湿度对纤维海绵形貌和性能的影响。实验结果表明,当环境湿度为75%时纤维海绵的纤维平均直径为1.79μm,体积密度低至5.94mg cm,孔隙率高达99.53%。同时其断裂应变高达64.2%,断裂应力为133.5k Pa。最重要的是,其导热系数仅为26.49m W m K,展现出良好的保暖性能。为了赋予PPSU/PU微米纤维海绵优良的力学性能和阻燃性能,本课题通过针头混纺的形式引入了聚酰胺酰亚胺(PAI)纳米纤维,并研究了不同混纺比例对纤维海绵形貌和性能的影响。结果表明,纤维海绵内部形成了互锁网络结构和粘结点,提升了纤维海绵的力学性能,断裂应力达到了148.6k Pa,且在100次压缩循环后几乎不产生塑性形变,外力撤去后能迅速恢复原貌,展现出良好的压缩回弹性。同时PAI纳米纤维的引入提升了纤维海绵的热稳定性,极限氧指数(LOI)达26.2%,平均损毁长度为75mm,并且在燃烧过程中纤维海绵不会产生熔滴,展现出优异的阻燃性能。另外,其导热系数低至24.68m W m K,在压缩100次后,导热系数仍可以达到27.31m W m K,在40～90%的不同环境湿度下,其导热系数维持在25.24～26.09m W m K之间,表明该纤维海绵具有稳定的高效保暖性能。进一步本课题比较了PPSU/PU/PAI微/纳米纤维海绵与三种商用保暖絮片的综合性能。实验结果表明,三种商用保暖絮片在燃烧过程中均产生熔滴,且损毁长度远大于纤维海绵的损毁长度。同时其导热系数低于三种商用保暖絮片中导热系数最低的涤纶絮片(30.91m W m K),但其克重仅为涤纶絮片的42.8%,展现出轻质保暖特性。该纤维海绵的成功制备为新型阻燃保暖材料的研发提供了新的见解和策略,具有广阔的应用前景和实际意义。