微纳米纤维隔热材料的制备与热辐射性能研究

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隔热保温材料用于减少介质与环境之间的热量传递,目前已得到广泛应用。对于多孔纤维隔热材料,其热传递机制主要包括三部分:通过固体纤维的导热,材料内部空气组分的导热和以电磁波形式传播的辐射热,其辐射传热量在整个热量传递过程中占有较大比重。因此,对于高孔隙率纤维材料,提高其热辐射遮挡效率是提供绝热性能的有效途径。微纳米纤维因其纤维直径接近辐射波长而具有特殊的光学性质,但目前对纤维材料的热性能研究多集中在微米尺度,较少涉及亚微米尺度范围。因此开展亚微米尺度直径纤维的制备以及探索不同纤维直径对其热辐射性能的影响机制研究具有重要意义。本研究采用静电纺丝技术制备不同直径的PVDF微纳米纤维,另外采用自组装技术将纳米TiO2颗粒负载到PVDF纤维表面,获得纳米TiO2@电纺PVDF微纳米纤维,研究不同直径纤维之间以及组装纳米TiO2前后,电纺PVDF纤维的形貌、透过率、光谱消光系数、Rosseland平均消光系数和辐射热导率的变化,并探讨电纺纤维材料热辐射性能的影响机制。采用SEM、TEM和FTIR等表征了纤维的微观形貌和热辐射性能。分析结果表明,当工况为29wt.%,1ml/h,15.5kv,15cm时,纺出的纤维平均直径最小(449nm)且直径分布较窄;在2.5-25mm红外波长范围内,PVDF膜的Rosseland平均消光系数随纤维直径增大而增大,辐射热导率随纤维直径增大而减小。当纤维直径从499nm增大到774.8nm时,常温300K温度下,辐射热导率从0.095(10-3W/mK)降低至0.037(10-3W/mK)。研究结果可用于优化PVDF纤维材料的结构,改善PVDF纤维膜的整体保温性能。研究结果还表明:组装纳米TiO2后,在2.5-25mm红外波长范围内,组装4层纳米TiO2后PVDF纤维的红外透过率显著降低,纤维的Rosseland平均消光系数从31.9 cm-1提高到325 cm-1;在230K和420K温度下,组装纳米TiO2后PVDF纤维的辐射热导率分别降低到0.011(10-3W/mK)和0.066(10-3W/mK),有效改善了纤维材料对热辐射的遮挡性能。
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