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浙江大学高超教授团队 Adv. Fiber Mater.综述:多功能纳米复合纤维 - “组合拳”打出大用途!

浙江大学高超教授团队 Adv. Fiber Mater.综述:多功能纳米复合纤维 - “组合拳”打出大用途! 高分子科技
2023-11-20
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导读:重点介绍了高分子基纳米复合纤维的六大功能:高力学强度、电磁屏蔽与阻燃、导电导热性、远红外/负离子发生与发电、能源储存、湿度及化学传感...
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纳米复合纤维是通过引入纳米材料或纳米结构制备而成的纤维材料具有特定性能和功能。高分子基纳米复合纤维具有易加工、结构可调、力学性能优异、功能性多样等特性,在医疗保健、航空航天、能源存储和环境监测等领域表现出巨大的应用前景

近期,浙江大学高分子系高超教授课题组在Advanced Fiber Materials上发表了题为“A Review of Multifunctional Nanocomposite Fibers: Design, Preparation and Applications”的综述文章DOI: 10.1007/s42765-023-00340-1系统阐述了多功能纳米复合纤维的发展现状及未来趋势。作者重点介绍了高分子基纳米复合纤维的六大功能:高力学强度、电磁屏蔽与阻燃、导电导热性、远红外/负离子发生与发电、能源储存、湿度及化学传感。总结了不同功能纤维的设计思路、制备方法和应用场景,提出了现有纳米复合纤维面临的挑战和未来的发展方向。


纤维的工业化发展历程


纳米复合纤维的由来——力学增强,功能衍生


作者首先介绍了纤维的工业化发展历程。20世纪50年代,功能纤维实现工业化生产,人们开始关注纤维的附加价值。为了改善传统天然及化学纤维的力学性能和功能,纳米复合纤维应运而生。经历了近60年的发展,纳米复合纤维已具备高强度、电磁屏蔽、高导电、高导热、远红外与负离子发生、储存与释放电能、传感等诸多功能。21世纪初,新一代的生态级保健纤维——石墨烯纳米复合纤维实现工业化生产,这类纤维兼具环境无害、病菌防护、辅助理疗的特点,纳米复合纤维进入绿色可持续发展的新阶段。未来,纳米复合纤维追求集成自感知、自驱动、自修复等智能性,推进新一代智能纳米复合纤维的工业化生产和应用。

高分子基纳米复合纤维的六大功能——巧妙设计,各显神通

随后,围绕高分子基纳米复合纤维的六大功能——高强度、电磁屏蔽与阻燃、导电导热性、远红外/负离子发生与发电、储能、传感,探讨了各功能的设计原则、制备方法、内在机理和性能对比。目前,与高分子复合的纳米填料分为零维、一维和二维纳米材料,例如金属及金属氧化物纳米颗粒、无机纳米粉、碳量子点,一维的碳纳米管、金属纳米线、导电高分子,二维的石墨烯、二硫化钼、MXene等。通过合理选择高分子基体与纳米填料,设计功能性。采用复合纺丝或后处理方法,将多种组分加工成纳米复合纤维。纤维组分的选择与纳米结构的设计,决定了纤维的性能。

纳米填料对高分子纤维的力学增强

电磁屏蔽纳米复合纤维的制备方法

导电纳米复合纤维的制备方法

发电纳米复合纤维的制备方法和发电原理

储能纳米复合纤维的结构示意图

传感纳米复合纤维的制备方法 

未来的纳米复合纤维之路——智能集成,勇攀高峰

纳米复合纤维的诞生和发展,促进了功能纤维广泛应用于航空航天、医疗保健、建筑工程等重要领域。目前,多功能纳米复合纤维面临原料成本高、不可降解或再生、性能不足、难以稳定工业化生产等问题。因此,未来需要开发新型的原料组分和设计策略,改善纳米复合纤维的经济性和环保性,稳步提升纤维的综合力学性能和功能性,实现新型纳米复合纤维的规模化生产和绿色可持续发展。如今,智能纳米复合纤维的出现为新一代纤维技术的发展带来了契机。开发纳米复合纤维的智能性并实现工业化生产将推动纤维在更多场景的应用。


浙江大学博士生刘丽军和博士后畅丹为本文第一作者,高超教授为通讯作者。


原文链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-023-00340-1


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