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五邑大学《ACS AMI》:具有连接碳纳米管的超疏水、高导电三层织物,用于节能电加热
出处:材料分析与应用  录入日期:2024-05-20  点击数:242

  1成果简介


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  目前的电热织物在寒冷的气候条件下也能提供热量,但却向外部环境浪费了大量的辐射热能,而且容易被水损坏。因此,构建节能型超疏水导电织物的需求量很大。本文,五邑大学王利环、于晖 教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表发表名为“Superhydrophobic, Highly Conductive, and Trilayered Fabric with Connected Carbon Nanotubes for Energy-Efficient Electrical Heating”的论文,研究提出了一种有效而简便的方法来制备超疏水、高导电性的三层织物,其中包括连接的碳纳米管(CNT)层和二氧化钛(TiO2)纳米粒子热反射层。
  首先通过电纺丝构建聚酰胺/氟化聚氨酯(PA/FPU)纳米纤维膜,然后用含有碳纳米管的聚氨酯(PU)溶液进行刀片涂层,最后通过电喷法制造 FPU/TiO2 纳米粒子。这种策略使 CNT 连接起来形成导电层,并使 TiO2 纳米粒子结合在一起形成多孔热反射层。因此,制备出的薄膜具有高导电性(电导率为 63 S/m)、快速电加热能力和高能效的非对称加热行为,即在 24 V 电压下,PA/FPU 纳米纤维层的加热温度在90秒内达到 83 ℃ 以上,而 FPU/TiO2 层的加热温度仅为 53 ℃,同时还具有突出的超疏水性能(水接触角为 156°),这表明它有望成为下一代电热纺织品。
  2图文导读 


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  图1:(a)三层织物的制造和结构示意图;(b-d)PA/FPU 纳米纤维层、PU/CNTs 层和 FPU/TiO2 层的扫描电镜图像;(e)三层织物的超疏水、透气和电加热示意图。


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  图2:(a-d)PAN/CNTs-1%、PVB/CNTs-1%、PVDF/CNTs-1% 和 PU/CNTs-1% 加热层的扫描电镜图像;(e、f)原材料和复合加热层的傅立叶变换红外光谱;(g)复合加热层的孔径分布;以及(h、i)复合加热层的电导率和电流。


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  图3:(a-c)PU/CNTs-1%、PU/CNTs-2% 和 PU/CNTs-3% 层的 SEM 图像;(d)傅立叶变换红外光谱;(e)孔径分布;(f)导电性;(g)电流;(h)不同 CNT 浓度的 PU/CNTs 层的断裂伸长率;(i)不同 CNT 浓度的 PA/FPU 膜和 PU/CNTs 层的水接触角。


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  图4:(a)使用电源的 PU/CNTs 层的光学图像和相应的红外图像;(b)PU/CNTs 层的表面温度与加热时间的关系;(c)充电 5 分钟后 PU/CNTs 层的表面温度。


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  图5. (a) FPU/TiO2-10% 层、(b) FPU/TiO2-20% 层和 (c) FPU/TiO2-40% 层的扫描电镜图像;(d) FPU/TiO2 层的傅立叶变换红外光谱;(e, f) PA/FPU 纳米纤维层的原子力显微镜图像、 (g) FPU/TiO2-30% 层的超疏水性示意图;(h, i) FPU/TiO2-30% 层的原子力显微镜图像;(j) FPU/TiO2 层的水接触角;(k) 三层织物的超疏水性演示。


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  图6. (a-d)三层织物、PA/FPU 纳米纤维层、PU/CNTs 层和 FPU/TiO2 层的截面 SEM 图像;(e,f)PA/FPU@PU/CNTs 膜和 PA/FPU@PU/CNTs@FPU/TiO2-30% 膜的加热行为示意图、 (g) PA/FPU 纳米纤维层和 FPU/TiO2 层的表面温度与加热时间的关系;(h) 三层织物的 TGA 热图;以及 (i) PA/FPU 纳米纤维层和 FPU/TiO2 层在电源作用下的光学图像和相应的红外图像。
  3小结
  在这项工作中,作者提出了一种构建超疏水高导电织物的简单且可扩展的方法,这种奇特的三层织物包含基底层(PA/FPU 纳米纤维层)、电热层(PU/CNTs 层)和热反射层(FPU/TiO2 层)。由于使用了高导电性的碳纳米管和适当的 “胶水”(聚氨酯),电热层呈现出多孔连接的碳纳米管网络,并显示出高导电性。热反射层在成分调节的基础上形成了稳定的多孔结构。此外,还对热反射层的润湿性进行了研究和优化,以达到超疏水的效果。因此,制备出的膜具有高导电性(电导率为 63 S/m)、快速电加热能力和高能效的非对称加热行为,即在 24 V 电压下,PA/FPU 膜的加热温度在 90 秒内达到 83 ℃ 以上,FPU/TiO2 层的加热温度达到 53 ℃,同时还具有突出的超疏水性(水接触角为 156°),这表明该材料有望成为下一代电热纺织品。此外,创造性的设计和独特的三层结构可为新型纳米纤维材料用于导电电极和防护服铺平道路。
  文献:


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