В экстремальных промышленных или городских условиях лёгкие теплоизоляционные текстильные материалы, используемые для индивидуального терморегулирования, играют ключевую роль в снижении риска тепловых заболеваний и гипотермии. Природные полимеры, такие как целлюлоза и хитин, благодаря своим выдающимся экологическим и возобновляемым свойствам, стали чрезвычайно привлекательными биосырьевыми материалами. В то же время аэрогели, обладая высокой пористостью и низким коэффициентом теплопроводности, признаны одними из лучших теплоизоляционных материалов. Для устранения зависимости традиционных аэрогелей от форм‑заготовителей и обеспечения их массового производства в этот процесс была внедрена отработанная технология мокрого филаментного прядения, позволяющая непрерывно перерабатывать прекурсоры аэрогелей в волокна, что заложило основу для последовательного производства текстильных изделий с разнообразной геометрией.

Однако существующие текстильные наполнители и покрытия по‑прежнему сталкиваются с такими ограничениями, как значительная масса, использование продуктов нефтехимии и недостаточная биосовместимость. Натуральные полимеры, хотя и обладают экологической устойчивостью, при снижении веса плохо сохраняют тепло, а при повышении плотности теряют воздухопроницаемость и комфорт. Главная проблема заключается в том, что получение аэрогелевых волокон во многом зависит от сложных процедур замещения растворителей и высоконапорной сверхкритической сушки. Это не только существенно повышает сложность технологического процесса, увеличивает производственные затраты и вводит дополнительные ограничения по безопасности, но и крайне трудно интегрируется с непрерывными методами филаментного прядения, что серьёзно препятствует масштабному промышленному внедрению высокоэффективных биосодержащих теплоизоляционных текстильных материалов.

В ответ на указанные выше проблемы команда, в состав которой входят сотрудники Уханьского политехнического университета и другие участники, провела систематическое исследование с использованием сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании «ZEPTOOLS». Используя вдохновение, получённое от структуры пуха, данная исследовательская группа, применив коаксиальное мокрое филаментное формование в сочетании с методом криосушки, успешно разработала биосодержащие целлюлозно‑хитиновые коаксиальные криогелевые волокна с тройным теплоизоляционным барьером, что позволило добиться ключевого инновационного прорыва в области непрерывного масштабируемого производства высокопроизводительных термоизоляционных текстильных волокон без необходимости использования сверхкритической сушки.

Заголовок: Коаксиальные криогелевые волокна на основе целлюлозы и хитина, вдохновлённые пухом, с тройным барьером для теплоизоляционных текстильных материалов
Журнал: Биомакромолекулы
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1021/acs.biomac.6c00864

Исследовательская группа, вдохновлённая двойной пористой теплоизоляционной структурой природного пуха, разработала принципиально новую стратегию непрерывного получения биосодержащих целлюлозно‑хитиновых коаксиальных фризинг‑аэрогелевых волокон. В рамках этой работы была巧妙но применена коаксиальная мокрая технология электроспиннинга: наружный слой из раствора целлюлозы и внутренний слой из раствора хитина одновременно выдавливались в сгустительный ванну с разбавленной серной кислотой; благодаря резко различающимся скоростям затвердевания этих двух полисахаридных компонентов в ходе одного этапа спиннинга непосредственно формируется устойчивая ядрово‑оболочечная градиентная коаксиальная структура. В последующей стадии сушки данный процесс вместо традиционной сверхкритической сушки — требующей высоких затрат и сложной в эксплуатации — напрямую использует обычную методику лиофильной сушки. Такой подход не только существенно снижает сложность технологии и уровень рисков для безопасности, но и обеспечивает высокоэффективную совместимость с существующими промышленными линиями непрерывной переработки волокон, открывая совершенно новые перспективы для масштабного серийного производства биосодержащих теплоизоляционных текстильных материалов.

Для прояснения тонкой взаимосвязи между внутренней микроструктурой и механизмом теплоизоляции данного коаксиального аэрогелевого волокна исследовательская группа провела глубокий анализ его ядрово‑оболочечной структуры с градуированными порами. В ходе данного исследования учёные использовали настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Zeyou Technology, осуществляя высокоразрешающую визуализацию микроструктуры материалов при ускоряющем напряжении 15 кВ. Результаты электронной микроскопии убедительно подтвердили, что данное замороженное аэрогелевое волокно успешно формирует уникальную микроскопическую тройную теплоизоляционную барьерную структуру: её внешний слой представляет собой пористую оболочку, состоящую из микронных пор регенерированной целлюлозы; ядровая область состоит из нанопористой сети, образованной хитином; а между оболочкой и ядром естественным образом возникает микронный интерфейсный воздушный прослойковый пространство. Эта биомиметическая трёхслойная структура, чётко раскрытая настольным сканирующим электронным микроскопом серии ZEM, на микроуровне одновременно подавляет теплопередачу по твёрдым телам, теплопроводность газов и перенос тепла на границах раздела за счёт сокращения средней длины свободного пробега молекул газа, разрыва твёрдых тепловых мостиков и усиления рассеяния инфракрасного излучения.

Высокие механические и прочностные свойства являются ключевым условием для внедрения криогелевых волокон в практическое текстильное применение; поэтому исследовательская группа провела систематическую регулировку их растяжимых характеристик при различных концентрациях полисахаридов. Результаты экспериментов показали, что при использовании 4‑процентных по массе растворов для формирования как целлюлозной оболочки, так и хитинового ядра криогелевые волокна демонстрируют наиболее оптимальные значения предела прочности на разрыв и плотности внутренней структуры, эффективно избегая неравномерного фазового разделения и микроскопических дефектов, возникающих при чрезмерно высокой концентрации. В ходе механических испытаний отдельное одноканальное криогелевое волокно с оптимизированным составом продемонстрировало выдающуюся несущую способность — оно успешно удерживало груз массой 500 граммов. При этом такое волокно обладает исключительно высокой гибкостью на изгиб, легко завязывается в прочные узлы, а во время ручного плетения в ткань и многократного сворачивания‑разворачивания вокруг пальца ни микроструктура ядра‑оболочки, ни межфазный воздушный слой не подвергаются никаким деформациям, разрывам или отслаиванию волокон, что полностью подтверждает возможность их масштабного производства и переработки в ткани.

Основываясь на выдающихся физических свойствах волокон, исследовательская группа сплела их в блочную ткань и всесторонне оценила её эффективность в управлении теплом человека с двух позиций — по статической теплопроводности и в условиях динамического имитационного моделирования окружающей среды. Результаты испытаний показали, что эта коаксиальная аэрогелевая ткань обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью — всего 0,033 Вт/(м·К), что значительно ниже значений большинства ранее опубликованных аналогичных биосодержащих текстильных материалов. В экспериментах, имитирующих суровые условия двойного температурного поля — горячего и холодного — данная ткань на горячей платформе при 80 °C поддерживала относительно более низкую поверхностную температуру, существенно удлиняя время достижения стабильного состояния; тогда как на холодной платформе при −20 °C демонстрировала крайне медленный темп снижения температуры, а после установления равновесия её поверхностная температура оказалась заметно выше, чем у традиционных коммерческих хлопковых, полиэстеровых и шерстяных тканей. Такие ярко выраженные преимущества на макроскопическом термодинамическом уровне убедительно свидетельствуют о том, что этот биосодержащий коаксиальный волокнистый материал, не прибегая к использованию высокоплотных материалов, достигает идеального баланса между лёгкостью и высокоэффективной двунаправленной теплоизоляцией.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Цзэюй‑Технологии — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным экспериментам in situ. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — даже непрофессионалы быстро осваивают его. Благодаря этому он широко применяется в таких областях, как разработка новых материалов, биологические науки, анализ причин отказов и промышленный контроль качества, предоставляя научно‑исследовательским учреждениям и корпоративным пользователям мощное решение для микроскопической характеристики, сочетающее высокую производительность и выгодное соотношение цены и качества.