纳米纤维作为一种先进低维材料，由其构成的多孔材料具有丰富的多级孔结构，在高效吸附、高精过滤、高温隔热、宽频降噪等尖端领域应用潜力巨大，已成为国家重大需求牵引下多孔材料的重要发展方向之一。
在世界范围内，纳米纤维多孔材料的研究已持续近三十年，但仍存在孔结构精细成型难度大、成孔机理不明确等关键难题，导致材料难以在应用中发挥毛细芯吸、尺寸筛分、能量耗散等功能优势。如何高效制备纳米纤维多孔材料？东华大学教授丁彬领衔的研究团队20多年深耕该领域，在纳米纤维材料的成孔方法上实现原始创新，相关成果对于航天军工、重大装备、能源电子、精细化工等国家命脉行业的发展将起到至关重要的作用。
创新提出纳米纤维成孔新策略
从事纳米纤维多孔材料研究已有25年的东华大学教授丁彬告诉记者：“纳米纤维是像头发丝一样的纤维材料，但它的直径只有头发的百分之一乃至千分之一，肉眼是看不见的，用这种纳米尺度的纤维材料构建多维度、多尺度的孔结构，可控性差、难度极大。”
他介绍，研究团队创新性提出了纳米纤维成孔新策略，制备出了具有多维度、多尺度孔结构的高分子、陶瓷、碳纳米纤维多孔材料，包括通体多孔的高强单纤维、超小孔径的韧性网状材料、超高孔隙率的弹性纤维气凝胶，这些材料可应用于尖端武器高温隔热、电力装备吸音降噪、应急救援人员防护、氢能电池气液分离等领域。“目前，我们在纳米纤维多孔材料的研究上处于国际领先地位。”丁教授表示。
“白活性炭”可吸附净化
化工废气、工业废水
在单纤维中构建可控的通孔结构可大幅提升材料的比表面积，并显著增强材料的毛细芯吸作用。然而，现有多孔单纤维通常采用致孔剂后处理的多步成孔方法获得，其孔道连通性差、孔尺寸难调控。
丁教授介绍：“我们通过在直径仅为数百纳米的单纤维内精细‘凿孔’，首次得到了像海绵一样的通体多孔一维纳米纤维，种类包括聚合物、陶瓷和碳材料。特别是我们制备的多孔陶瓷纳米纤维，可以耐1300℃的高温且比表面积（＞1000m2/g）与活性炭相当，我们称之为‘白活性炭’，可以有效吸附有机污染物，并通过高温煅烧去除有机污染物，理论上可以实现无限次回用。”
这种“白活性炭”具有耐高温、表面积大的优点，可用于化工废气、工业废水的吸附净化，吸附效率高并可实现无限次回用，从而解决了当前活性炭无法再生、只能填埋处理的问题，从而避免了土地浪费和环境污染，具有极大的社会经济价值。
“纳米蛛网”高性能过滤分离材料
静电纺纤维的平均直径多在100nm以上，由其堆积形成的材料孔径通常在1-3μm，如何进一步降低纤维直径以减小材料的孔径，已成为提升材料气/固、气/液筛分传质性能的关键。
如何突破技术瓶颈？丁彬告诉记者，研究团队受到电影《蜘蛛侠》的启发，首次利用微小液滴直接“甩出”一张细小的网，从而创制出具有蜘蛛网状结构的二维超小网孔材料——我们将其命名为“纳米蛛网”，是目前已知最细小的网状材料，网孔直径只有100~200nm，是蜘蛛网的千分之一，对于细菌、病毒、微小颗粒物、微液滴等具有极高的过滤精度。
这种世界上最细小的网状纤维材料“纳米蛛网”，孔径只有蜘蛛网的千分之一，是一种全新的高性能过滤分离材料，在半导体工业、现代养殖业的高精空气过滤，石油、化工产品的高效油水分离等领域极具应用潜力。
“冻豆腐”般纤维气凝胶成
下一代隔热材料最佳选择
丁教授介绍，团队通过控制纳米冰晶的有序生长驱动纳米纤维排列组装，并去除纳米冰晶使纤维间成孔，得到了像冻豆腐一样、具有超高孔隙率的纳米纤维气凝胶，种类包括聚合物、陶瓷和碳材料。“特别是我们制备的陶瓷纳米纤维气凝胶，它不仅打破了世界最轻固体材料的记录，在1300℃的高温下还展现出可拉伸/压缩的“形状记忆”特性，从而颠覆了传统陶瓷材料又脆又硬的形象。”
据介绍，团队创制的超轻、高弹陶瓷纳米纤维气凝胶，被英国航天局的总工程师重点关注并高度评价，认为它是下一代隔热材料的最佳选择，在保证轻质高效隔热的同时还能有效抵御剧烈的气动热冲击，为未来的航天器提供了全新的颠覆性解决方案。此外，陶瓷纳米纤维气凝胶还可用于新能源汽车的电池隔热垫、防火隔热毯，消防战斗服的高温隔热层，大飞机、高层建筑、冷库的防火保温层，潜艇、高铁的阻燃降噪层等领域。
来源：上海科技报
作者：陶婷婷
资料来源：丁彬
编辑：嘉源
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