В экстремальных промышленных или городских условиях лёгкие термоизоляционные текстильные материалы для индивидуального управления тепловым режимом играют ключевую роль в снижении риска возникновения тепловых заболеваний и гипотермии. Природные полимеры, такие как целлюлоза и хитин, благодаря своей высокой экологической чистоте и возобновляемости, стали крайне привлекательными биосырьевыми материалами. В то же время аэрогели широко признаны исключительными изоляционными материалами благодаря их высокой пористости и низкой теплопроводности. Для преодоления зависимости традиционных аэрогелей от формовочных технологий и обеспечения их массового производства была внедрена отработанная технология мокрого электроспиннинга, позволяющая непрерывно перерабатывать прекурсоры аэрогелей в волокна, что заложило основу для поточного производства текстильных материалов с разнообразной геометрией.

Однако существующие текстильные наполнители и покрытия по‑прежнему сталкиваются с такими узкими местами, как избыточный вес, использование материалов на основе ископаемого сырья и недостаточная биосовместимость. Хотя природные полимеры являются экологически устойчивыми, при их облегчении они лишаются необходимой теплоизоляции, тогда как более тяжёлые структуры снижают воздухопроницаемость и комфорт. Наиболее серьёзная проблема заключается в том, что получение аэрогелевых волокон часто сильно зависит от трудоёмких методов замены растворителей и высоконапорной сверхкритической сушки. Это значительно повышает сложность технологического процесса, увеличивает производственные затраты и ограничивает безопасность; кроме того, такие методы крайне сложно интегрировать в непрерывные технологии прядения, что серьёзно препятствует масштабному промышленному применению эффективных биосовместимых термоизоляционных текстилей.

Для решения указанных выше задач команда под руководством Уханьского технологического университета и других исследователей провела систематические исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа серии ZEM компании ZEPTOOLS. Вдохновившись структурой пуховых перьев, команда разработала биосовместимые коаксиальные криогелевые волокна на основе целлюлозы и хитина, обладающие тройным термоизоляционным барьером, с использованием коаксиального мокрого прядения в сочетании с технологией сублимационной сушки, что позволило добиться ключевого новшества — непрерывного масштабируемого получения высокопроизводительных термоизоляционных текстильных волокон без необходимости применения сверхкритической сушки.

Название: Коаксиальные криогелевые волокна на основе целлюлозы и хитина, вдохновлённые пухом, с тройными барьерами для термоизоляционных текстилей
Журнал: Биомакромолекулы
URL: https:// doi.org/10.1021/acs.biomac.6c00864

Вдохновлённые двуствольной структурой термоизоляции, характерной для натурального пуха, исследовательская группа разработала новую стратегию непрерывного получения биосодержащих коаксиальных криогелевых волокон на основе целлюлозы и хитина. В работе была умело применена технология коаксиального мокрого прядения: наружный раствор целлюлозы и внутренний раствор хитина одновременно экструдировались в ванну коагуляции с разбавленной серной кислотой. Благодаря существенно различающимся скоростям затвердевания двух полисахаридных компонентов сразу в одном этапе прядения формировалась стабильная ядро‑оболочка с иерархической коаксиальной структурой. На последующей стадии сушки данный процесс напрямую использовал традиционную сублимационную сушку, заменяя традиционно обязательную, дорогостоящую и трудоёмкую сверхкритическую сушку, необходимую при производстве обычных аэрогелей. Такая технологическая цепочка не только значительно снижает сложность процесса и уровень рисков для безопасности, но и обеспечивает эффективную совместимость с существующими промышленными линиями непрерывной обработки волокон, открывая принципиально новый путь для масштабного непрерывного производства биосодержащих теплоизоляционных текстильных материалов.

Для выявления тонкой взаимосвязи между внутренней микроморфологией коаксиальных аэрогелевых волокон и их механизмом тепловой изоляции исследовательская группа провела углублённый анализ ядрово-оболочечной иерархической пористой структуры этих волокон. В ходе данного эксперимента исследователи использовали настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS для проведения высокоразрешающих визуализаций микроморфологии материала при ускоряющем напряжении 15 кВ. Результаты электронной микроскопии убедительно подтвердили, что сублимированные аэрогелевые волокна успешно образуют уникальный микроскопический тройной термоизоляционный барьер: наружный слой представляет собой пористую оболочку из регенерированной целлюлозы с порами микрометрового размера, сердцевинная зона — это нанометровая пористая сетка, состоящая из хитина, а между оболочкой и сердцевиной располагается межфазная воздушная прослойка микрометрового размера. Как ясно показано настольным сканирующим электронным микроскопом серии ZEM, эта биомиметическая трёхслойная структура подавляет передачу тепла за счёт твёрдой проводимости, газовой проводимости и межфазной теплопередачи на микроскопическом уровне, сокращая среднюю длину свободного пробега молекул газа, разрывая твёрдые тепловые мостики и усиливая рассеяние инфракрасного излучения.

Отличные механические свойства являются ключевым условием для внедрения криогелевых волокон в практические текстильные приложения. Поэтому исследовательская группа систематически регулировала растяжимые характеристики волокон при различных концентрациях полисахаридов. Экспериментальные результаты показали, что при использовании для оболочечного слоя целлюлозы и ядрового слоя хитина спиннинговых растворов с массовой долей 4% криогелевые волокна демонстрировали наиболее оптимальную прочность на разрыв и высокую плотность внутренней структуры, эффективно предотвращая неоднородности фазового разделения и микроскопические дефекты, возникающие при чрезмерно высоких концентрациях. В механических испытаниях одно коаксиальное криогелевое волокно с оптимизированным составом продемонстрировало выдающуюся несущую способность, успешно удерживая груз массой 500 граммов. При этом такие волокна обладали превосходной гибкостью на изгиб и легко узловались. В ходе ручного ткачества и многократных намоток‑размоток вокруг пальцев вся микроструктура «ядро‑оболочка» и межфазный воздушный слой оставались нераспределяемыми, неповреждёнными и без отрыва волокон, что полностью подтверждает возможность масштабного ткачества.

Исходя из превосходных физических свойств этих волокон, исследовательская группа сплела их в объемные текстильные материалы и всесторонне оценила их эффективность в управлении тепловым режимом человека по двум аспектам: статической теплопроводности и динамической имитации окружающей среды. Результаты испытаний показали, что текстильные изделия из коаксиальных аэрогелевых волокон обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью — всего 0,033 Вт/(м·К), что значительно ниже, чем у большинства ранее опубликованных аналогичных биосодержащих текстильных материалов. В ходе испытаний по моделированию суровых условий — двухступенчатого температурного поля с высокой и низкой температурами — на горячей пластине при 80 °C текстиль сохранял относительно более низкую поверхностную температуру, существенно увеличивая время выхода на стационарный режим; при этом на холодной пластине при −20 °C наблюдалась крайне медленная скорость остывания, а после установления стационарного состояния температура поверхности была заметно выше, чем у традиционных коммерческих текстильных изделий из хлопка, полиэстера и шерсти. Совокупность этих значительных преимуществ, проявившаяся на макроскопическом термодинамическом уровне, наглядно продемонстрировала, что биосодержащие коаксиальные волокна достигли идеального баланса между легкостью и высокоэффективной двунаправленной теплоизоляцией, не прибегая к использованию материалов высокой плотности.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS — это высокоинтегрированный, портативный и экономичный научный прибор. Он отличается быстрым откачиванием, высокой скоростью получения изображений и широким выбором детекторов, что делает его подходящим для наблюдения морфологии и анализа состава; кроме того, он способен удовлетворять разнообразные требования проведения экспериментов in situ. Оборудование предъявляет низкие требования к условиям установки, не ограничено по размещению на полу и легко в эксплуатации, что позволяет быстро освоить его даже непрофессионалам. Оно может быть широко применён в исследованиях новых материалов, в биологических науках, в анализе отказов, в промышленной контроле качества и во многих других областях, предоставляя мощное и экономичное решение для микроскопической характеристики для самых разных исследовательских учреждений и предприятий.