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电纺纤维的隔热性能 165浏览/0回复

小易

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发表于 2021-02-26 15:19:27

静电纺纤维结构具有相互连通的孔隙,具有作为保温材料的潜力。材料的传热是以对流、传导和辐射为基础的。为了使静电纺结构具有良好的隔热性能,需要对这三种模式的传热进行研究。对静电纺膜和块状纤维结构进行了初步试验,结果表明它们具有良好的保温性能。


在固体中,热是通过传导传递的。对于静电纺结构,大部分体积是由纤维之间的空隙构成的。沿着纤维的传导作为整个体积的一部分是可以忽略不计的,除非纤维变得非常紧凑以致纤维体积变得重要。通过对流进行的热传递占主导地位,在这种情况下,允许流体或空气在存在温度梯度的地方运动。 对于电纺非织造结构,纤维缠结会减少结构内的气流,从而限制对流。 然而,确定穿过纳米纤维的空气滑流对流的影响是有趣的。 滑流可在整个电纺膜上产生低压降,但这对于隔热来说可能是不利的,因为它使加热的空气更容易通过。


考虑到多孔电纺结构中存在大量的空间袋,当光子行进通过空气袋时,热辐射是可能的。 以膜形式,增加的电纺纤维密度显示出更好的绝缘性能。 这归因于辐射热传递的减少,因为由于下一个光纤表面的接近,光子平均自由程减小了。 然而,除了最佳的堆积密度之外,通过固体纤维的传导引起的热传递变得显着,并且总体绝缘性能下降。


将电纺纤维用作绝缘材料的早期研究是基于膜形式的。最早的研究之一是Gibson等人(2007)使用电纺聚丙烯腈纳米纤维,并与其他几种常见的绝缘材料进行了比较,例如羽绒,商业聚酯,二氧化硅气凝胶浸渍的柔性纤维绝缘材料和熔喷沥青碳纤维。不幸的是,他们的研究并未证明其电纺纳米纤维膜比市售绝缘材料具有显着的绝热优势。实际上,电纺膜的绝缘性能在低堆积密度下是很差的,尽管在较高密度下会提高[Gibson et al 2007]。 Nasouri等人(2013年)研究了纳米纤维直径和堆积密度对电纺纤维导热性的影响。与Gibson等人(2007)的结果类似,总体而言,增加堆积密度会增加其热阻。他们使用电纺PAN纤维膜发现,较薄的纳米纤维表现出更高的隔热特性。当纳米纤维直径小于261 nm,堆积密度大于176 kg / m3时,热导率将降至0.02 W / m.k以下,这与导热率为0.024 W / m.k的纯SiO2气凝胶相当[Wu et al 2013]。这归因于更大的表面积与体积之比,这增加了辐射吸收和散射。减小纤维直径还具有减小膜孔径的作用。由于较少的光子穿过纳米纤维之间的开放空间,这也减少了辐射。


气凝胶通常用作绝热材料,但是其缺乏机械强度是一个限制。将电纺纤维与气凝胶结合具有在增强气凝胶的同时潜在地保持其优异的绝热性的优点。 Wu等人(2013)用SiO2气凝胶内的电纺聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维网测试了这一概念。所得气凝胶复合材料显示出良好的柔韧性,其导热率为0.028 W.m.k,接近于纯SiO2气凝胶,其导热率为0.024 W/m.k。


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除膜形式外,电纺纤维还可制成3D泡沫结构。Si等人(2014年)构造了一种由短股电纺纤维制成的泡沫。使用聚丙烯腈/苯并恶嗪(PAN / BA-a)电纺丝纤维和SiO2电纺丝纤维的混合物制成泡沫。冻干泡沫的超低密度使其可与气凝胶媲美。获得的最低密度为0.12mg / cm 3,孔隙率为99.992%。泡沫显示出良好的绝热性能,具有0.026Wm-1K-1的显着导热率,与环境条件下的空气接近。这种良好的绝缘性能归因于其高孔隙率。 当孔隙率降低时,热导率增加。


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