신소재: 토끼털 단수강 구조를 모방한 이산화규소 복합섬유는 단열과 내구성이 뛰어나다

 

연구팀은 단순히 담그기만 하면 토끼털을 모방한 이산화규소 나노섬유 표면에 폴리아미드 박층이 부착된 후 대나무 마디 모양의 공심 구조가 섬유 내부에 대량의 정지 공기를 유지할 수 있어 단열에 유리하다는 것을 발견했다.폴리이미드 박층은 이산화규소/폴리이미드 복합 나노섬유에 좋은 역학적 성능을 부여한다.

피모는 포유동물이 환경 온도에 적응하는 비밀 무기이다.례를 들면 토끼털과 같은 천연섬유는 우수한 단열성능, 탄성 및 기타 기계성능을 갖고있는데 그 단열기능은 주로 그 특수한 공심구조 또는 다공구조에서 기원된다.

절강이공대학으로부터 알아본데 따르면 이 학교 부아금 교수팀은 정전기방사와 침착공법을 통해 토끼털의 단수강구조를 모방한 이산화규소/폴리아미드 복합나노섬유를 제조해냈다.실험이 증명하다싶이 이 복합섬유로 만든 섬유막은 순이산화규소섬유막의 신축강도가 낮고 내구성이 비교적 떨어지는 결점을 극복했으며 질이 가볍고 방화할수 있어 광범한 응용전망을 갖고있다.관련 연구 논문은 국제 저널'복합재료 B: 공정'에 온라인으로 발표되었다.

이산화규소로 토끼털의 대나무 마디 구조를 모방하다.

광학 현미경으로 토끼털을 관찰하면 그 내부가 규칙적이고 대나무 마디 모양의 공심 구조를 볼 수 있다. 구조 내부는 대량의 정지 공기를 밀봉하고 정지 공기 분자의 자유 운동이 제한되어 토끼털이 지름을 따라 매우 낮은 열전도 계수를 가지고 있다.

"정전방사를 통해 얻은 이산화규소 나노섬유는 단열성능이 뛰어나고 고온에서 안정성이 좋고 독성이 없으며 제조원료도 저렴하다."논문 교신저자인 사은송 저장이공대학 재료과학공정학원 부교수는 이렇게 소개했다."전기 연구에 기초하여, 우리는 공심 이산화규소 나노섬유에 다시 공심 이산화규소 마이크로볼을 내장하여 토끼털 내부 구조를 모의하고, 단열 성능을 한층 더 개선할 생각을 하는데, 이는 동축 정전기 방사 기술을 사용해야 한다."

그는 동축 정전기 방사 기술은"굵기 중에 가늘기"가 있는데, 마치 협심봉을 만드는 것과 같으며, 내경이 다르지만 동축의 두 튜브에 각각 심층과 하우징 방사액을 주입하고, 양자는 스프레이 끝에서 합류하여 전장력의 작용하에 용제가 빠르게 휘발되고, 용질이 점차 견신되어 나노섬유가 된다고 설명했다.

폴리에틸렌글리콜 (PVA) 은 방적 공정에서 흔히 볼 수 있는 원료로 용액이 매우 좋은 접착성과 성막성을 가지고 있다.이번 연구에서 이 팀은 PVA 용액과 이산화규소 공심 마이크로볼을 심층 방사액으로, PVA와 이산화규소 소분자 용접을 하우징 방사액으로 동축 정전기 방사를 거쳐 건조, 단소를 거쳐 내부가 대나무 마디 모양의 공심 구조의 토끼털 이산화규소 나노섬유를 만들었다.

이산화규소는 세라믹 섬유의 구성 성분 중의 하나다.이 팀이 확보한 토끼털 모조 이산화규소 나노섬유는 무기 세라믹 나노섬유에 속한다.무기세라믹 나노섬유는 무게가 가볍고 불연성, 내화, 내부식, 단열성능이 우수한 등의 특징으로 항공우주, 건축, 산업배관, 내화복 등 분야에서 잠재력이 높은 단열재 중 하나로 꼽힌다.그러나 무기 세라믹 나노 섬유는 일반적으로 바삭하고 박막의 스트레칭 강도가 일반적으로 낮기 때문에 광범위한 응용을 심각하게 제한합니다.

"무기 세라믹 나노섬유에 공심구조나 다공성 나노입자를 도입하면 제조된 섬유막이 더 바삭해질 수 있다." 사은송은 무기 세라믹 나노섬유의 단열성을 높이면서도 유연성을 잃지 않는 방법이 이번 연구의 관건으로 도전적이라고 말했다.

"멀티플" 재료를 추가하여 역학적 성능 향상

폴리이미드는 고분자 재료 중'멀티플'로 불리며 항공, 마이크로전자, 나노, 액정, 분리막, 레이저 등 분야에서 모두 응용되고 있으며, 그 박막은'황금박막'이라고 불린다.

사은송은 다음과 같이 말했다. 폴리아미드는 우수한 열안정성, 내화학성, 우수한 력학성능을 갖고있다.이론적으로 대나무 마디 모양의 공심 구조와 폴리아미드 박층의 시너지 효과는 무기 나노 섬유의 아삭함을 극복할 수 있으며, 동시에 전체적인 열 안정성과 단열 성능을 현저하게 떨어뜨리지 않는다.

연구팀은 단순히 담그기만 하면 토끼털을 모방한 이산화규소 나노섬유 표면에 폴리아미드 박층이 부착된 후 대나무 마디 모양의 공심 구조가 섬유 내부에 대량의 정지 공기를 유지할 수 있어 단열에 유리하다는 것을 발견했다.폴리이미드 박층은 이산화규소/폴리이미드 복합 나노섬유에 좋은 역학적 성능을 부여한다.

실험 데이터에 따르면 이산화규소/폴리이미드 복합 나노섬유막의 인장 강도는 19.7메가파스칼에 달해 침전 전의 약 10.1배에 달한다;2만 번의 동적 굴곡 순환을 거쳐 뚜렷한 손상을 나타내지 않았다;최소 500회 마찰 순환을 견딜 수 있어 내구성이 우수하다.

"이런 뛰어난 특성은 주로 복합 나노섬유막에서 형성된 3D 네트워크 구조와 단일 이산화규소 나노섬유에 대한 침전 증강 효과 때문이다."라고 사은송은 말했다. 거시적으로 볼 때 이 복합 나노섬유의 강도는 섬유와 섬유 사이의 상호작용력에도 달려 있다.폴리이미드를 코팅하면 섬유가 교결된 곳에서 더 잘 접착될 수 있고, 잡아당길 때 많은 섬유가 동시에 힘을 받아 전체적인 강도를 높일 수 있다.

또한 이산화규소/폴리이미드 복합 나노섬유의 열전도 계수는 천연 토끼털의 열전도 계수보다 훨씬 낮고, 구부러짐 강도는 일반 A4 인쇄지보다 현저히 낮다.

사은송은 다음과 같이 표시했다. 고정계기, 우주비행운수, 소방안전 등 분야에서는 보편적으로 단열, 경질, 방화 등 종합성능이 더욱 우수한 단열재가 수요되는데 이 연구에서 얻은 토끼털의 단수강구조를 모방한 이산화규소/폴리아미드 복합나노섬유는 이런 면에서 아주 큰 우세를 갖고있다.다음으로 팀은 이 복합나노섬유의 제조효률을 제고하고 에너지랑비 감소, 열손상방지, 설비중량/점용부피 경감, 착용쾌적성 제고 등 구체적인 수요와 결부하여 점차 성과전환을 전개하게 된다.