新材料：ウサギ毛単髄腔構造を模したシリカ複合繊維は断熱で耐久性がある

 

研究チームは、簡単に浸漬するだけで、ウサギの毛を模したシリカナノファイバーの表面にポリイミド薄層が付加された後、竹節形状の中空構造は繊維内部に大量の静止空気を保持でき、断熱に有利であることを発見した、ポリイミド薄層はシリカ/ポリイミド複合ナノ繊維に良好な力学的性質を与えた。

毛皮は哺乳動物が環境温度に適応する秘密兵器である。ウサギの毛のような天然繊維は、優れた断熱性能、弾性、その他の機械的性能を有し、その断熱機能は主にその特殊な中空構造または多孔質構造に由来する。

浙江理工大学によると、同校の傅雅琴教授チームは静電紡糸と浸漬技術を通じて、ウサギ毛を模した単髄空洞構造を有するシリカ/ポリイミド複合ナノ繊維を製造した。実験により、この複合繊維から作られた繊維膜は純シリカ繊維膜の引張強度が低く、耐久性が悪い欠点を克服し、しかも質が軽く、防火ができ、広範な応用の将来性があることが証明された。関連研究論文は国際ジャーナル「複合材料B：エンジニアリング」にオンラインで発表された。

シリカを用いてウサギ毛竹節構造を模倣する

光学顕微鏡でウサギの毛を観察すると、その内部は規則的で竹節形状の中空構造を呈し、構造内部は大量の静止空気を密封し、静止空気分子の自由運動は制限され、ウサギの毛が径方向に沿って非常に低い熱伝導率を持つようになった。

「静電紡糸によって得られたシリカナノファイバーは、良好な断熱性能を有し、高温下で安定性がよく、毒性がなく、原料の製造も安価である」と論文通信著者、浙江理工大学材料科学・工学学院助教授の司銀松氏は紹介した。「前期の研究に基づいて、中空シリカナノファイバーに中空シリカ微小球を再埋め込み、ウサギ毛の内部構造をシミュレーションし、断熱性能をさらに改善することを考えている。これは同軸静電紡糸技術を用いる必要がある」。

同軸静電紡糸技術は「太さの中に細さがある」、例えばサンドイッチ棒を作り、2つの内径は異なるが同軸の細管にそれぞれコア層とシェル層紡糸液を注入し、両者はノズル先端で合流し、電界力の作用で溶媒が急速に揮発し、溶質が次第にドラフトされてナノ繊維に引き伸ばされると説明した。

ポリビニルアルコール（PVA）は紡績プロセスにおける一般的な原料であり、その溶液は良好な接着性と成膜性を有する。今回の研究では、このチームはPVA溶液とシリカ中空微小球をコア層紡糸液とし、PVAとシリカ小分子ゾルをシェル層紡糸液とし、同軸静電紡糸を経て、乾燥、焼成を経て、内部が竹節状中空構造を呈するウサギ毛シリカナノファイバーを作製した。

シリカはセラミック繊維の構成成分の一つである。このチームが得たウサギ毛シリカナノファイバーは無機セラミックナノファイバーに属する。無機セラミックナノファイバーはその軽量、不燃、耐火、耐食性、断熱性能が優れているなどの特徴から、航空宇宙、建築、工業パイプライン、耐火服などの分野で極めて潜在力のある断熱材料の一つとされている。しかし、無機セラミックナノファイバーは一般的に脆く、そのフィルムの引張強度は一般的に低く、これはその広範な応用を深刻に制限している。

「無機セラミックナノファイバーに中空構造または多孔質ナノ粒子を導入すると、その製造した繊維膜がより脆くなる可能性がある」と司銀松氏は言う。無機セラミックナノファイバーの断熱性を向上させるだけでなく、柔軟性を失わない方法は、今回の研究の鍵であり、非常に挑戦的である。

マルチフェース(Multiplex)マテリアルを追加して機械的パフォーマンスを向上させる

ポリイミドは高分子材料の中の「多面手」と呼ばれ、航空、マイクロ電子、ナノ、液晶、分離膜、レーザーなどの分野で応用されており、その製造されたフィルムは「黄金フィルム」と呼ばれている。

司銀松氏によると、ポリイミドは優れた熱安定性、耐化学性、優れた力学性能を持っている。理論的には、竹節状中空構造とポリイミド薄層の相乗効果は無機ナノ繊維の脆性を克服することができ、同時にその全体的な熱安定性と断熱性能を著しく低下させることはできない。

研究チームは、簡単に浸漬するだけで、ウサギの毛を模したシリカナノファイバーの表面にポリイミド薄層が付加された後、竹節形状の中空構造は繊維内部に大量の静止空気を保持でき、断熱に有利であることを発見した、ポリイミド薄層はシリカ/ポリイミド複合ナノ繊維に良好な力学的性質を与えた。

実験データによると、シリカ/ポリイミド複合ナノファイバーフィルムの引張強度は19.7メガパスカルに達し、浸漬前の約10.1倍である、2万回の動的曲げサイクルを経て、明らかな損傷は現れなかった、少なくとも500回の摩擦サイクルに耐えることができ、良好な耐久性を示している。

「これらの優れた特性は、複合ナノファイバー膜に形成された3 Dネットワーク構造と、単一シリカナノファイバーへの浸漬強化効果に主に起因している」と司銀松氏は述べた。巨視的な観点から言えば、この複合ナノファイバーの強度は繊維と繊維の相互作用力にも依存している。ポリイミドの被覆により、繊維は交絡部でよりよく接着でき、引っ張られると多くの繊維が同時に力を受け、全体の強度が向上した。

また、シリカ/ポリイミド複合ナノファイバーの熱伝導率は天然ウサギ毛の熱伝導率よりはるかに低く、曲げ剛性は普通のA 4印刷紙より明らかに低い。

司銀松氏によると、高精細機器、宇宙輸送、消防安全などの分野では、断熱、軽量、防火などの総合性能がより優れた断熱材が一般的に必要であり、この研究で得られたウサギ毛単髄腔構造を模したシリカ/ポリイミド複合ナノファイバーはこれらの面で大きな優位性を持っている。次に、チームはこの複合ナノ繊維の製造効率を高め、エネルギー浪費の減少、熱損傷の防止、設備重量/占用体積の軽減、着用快適性の向上などの具体的な需要と結びつけて、成果の転化をちくじ展開する。