这种膜为啥能随温度变透明？怎么制备的？有啥特点？
这种膜为啥能随温度变透明？怎么制备的？有啥特点？
随着科技的不断发展，人们对透明材料的需求日益增长。传统的玻璃和陶瓷材料虽然在很多领域都有广泛应用，但它们的刚性和缺乏机械韧性限制了其在一些特殊场景下的应用。因此，开发具有柔性和透气性的透明材料成为了一个巨大的挑战。本文将介绍一种受Diphylleia Grayi启发的智能温度响应透明纳米纤维膜，它的制备方法独特，性能优异，有望在多个领域得到应用。
一、引言
在现代科技的发展中，透明材料的需求日益增长，传统材料已无法满足某些特殊需求。而纳米纤维膜因其独特的性质成为关注焦点。本文介绍了一种受Diphylleia Grayi启发的智能温度响应透明纳米纤维膜，它的制备方法独特，性能优异，有望在多个领域得到应用。
二、设计和构建TRT-NFMs
灵感来源
Diphylleia Grayi在自然状态下为白色，在雨天时能从不透明状态转变为透明状态。受此启发，研究人员通过在聚氨酯（PU）纳米纤维表面涂覆相变材料二十烷（eicosane），来模拟Diphylleia Grayi细胞结构，从而操纵光在膜中的传播方向。
制备过程
首先通过电纺方法制备出不透明的PU纳米纤维膜，然后利用电喷雾技术将二十烷均匀涂覆在PU纳米纤维上，得到温度响应透明纳米纤维膜（TRT-NFMs）。
性能特点
当温度升至37°C时，二十烷从固体转变为液体，均匀地涂覆在PU纳米纤维表面，使两种材料产生几乎相同的折射率，减少了光在纳米纤维-空气界面的散射，从而使PUTRT纳米纤维迅速从不透明状态转变为透明状态，透射率转换比高达25:1。将TRT纳米纤维膜放置在38°C的烧杯表面，展示出了出色的透明响应和发色色度。
三、形态和机械性能分析
SEM图像分析
与纯PUNFMs相比，添加二十烷后纳米纤维的粘附性大大提高。PU-C20-3中二十烷含量最高，在相变前后仍保持NFMs的原始多孔性。
纯PU纳米纤维的平均直径为340nm，占样品的75％，随着二十烷浓度的增加，纳米纤维的平均直径和分散度增加，PU-C20-3中纳米纤维的平均直径最大，为470nm，这进一步验证了二十烷成功涂覆在PU纳米纤维表面。
对孔隙率和透气性的影响
随着二十烷含量的增加，NFMs的孔径、孔隙率和透气性显著降低。与纯PUNFMs的平均孔径5.5μm相比，电喷雾后的NFMs平均孔径减小了1-1.9μm。
机械性能
纯PUNFMs的拉伸应力为1.33MPa，应变591％，杨氏模量为0.6MPa，韧性为4.8MJm-3。加入二十烷后，NFMs的拉伸应力和应变显著增加，应力增加超过200％，应变增加超过100％，杨氏模量和韧性也显著改善。这是由于二十烷中的长烷基链对含环氧的PU有增韧作用，且二十烷在PU纳米纤维之间的物理交联对应力、应变和模量的协同改善有重要影响。
四、热性能和熔融-结晶行为
热重分析
二十烷在170-320°C之间有一个失重过程，纯PU在约200°C开始失重，在500°C完全失重。二十烷有两个结晶峰（21-33°C）和一个熔融峰（约38°C），加入二十烷后，复合样品的分解温度和速率相对不变，主要是因为二十烷含量低。
DSC分析
加入二十烷后，出现新的熔融结晶峰，表明其对TRT-NFMs的热特性有显著影响，但PU可能会影响二十烷的结晶能力，随着二十烷含量减少，其熔融和结晶焓稳步下降。
FTIR分析
PU-C20-1、PU-C20-2和PU-C20-3的红外光谱中出现了PU和二十烷的特征峰，且峰强度不同，表明二十烷成功引入到PU纳米纤维膜中，两者有较强的界面相互作用。
XRD分析
二十烷在19.56°、19.91°、23.25°、24.84°和25.55°处有五个衍射峰，分别对应其β晶体的（010）、（011）、（105）、（-101）和（110）晶面，在10.58°、13.91°、39.81°和44.56°处的衍射峰对应α晶体的（003）、（004）、（0-22）和（207）晶面。PU-C20-1、PU-C20-2和PU-C20-3中含有二十烷的衍射峰，且二十烷的特征峰不受影响，但加入不同量的二十烷会导致结晶度逐渐降低，可能影响NFMs的透射率。
POM分析
二十烷晶体在加热到37°C时快速熔化，在冷却到36°C时迅速结晶，局部快速结晶导致在拉伸应力下产生晶间裂纹，裂纹随温度降低而扩展并相互碰撞。二十烷结晶行为对温度高度敏感，半结晶聚合物中的晶粒可能会阻碍光通过，而无定形聚合物能提供无损光传输，表现出优异的透射率。从微观图像可以看出，随着温度升高，二十烷相变导致的结晶变化会使大量光传输，从而实现高透射率。
五、光学性能
动态行为
所有样品在30°C时透射率最低、雾度最高、吸光度最高，随着温度从30°C升高到50°C，光透射率增加，转换率达到25:1，雾度和吸光度降低。在约38°C时，所有三个样品的透射率峰值和雾度、吸光度的最低值出现且数据稳定。
样品性能比较
PU-C20-3的透射率最高（约90.9％）、吸光度最低（0.05％）、雾度最低（约40.6％），随着相变材料含量的减少，最大透射率从90.9％降低到56.9％，最大吸光度和雾度从0.33％和93.4％增加到0.48％和98.7％。
响应速度和雾度原因
所有样品在5s内显示出快速响应，以实现所需的透射率转换。样品的高雾度主要是由于NFMs表面纤维交织形成的凹凸多孔结构导致入射光发生偏转。
光传输机制
大量光无法穿透NFMs是由于纳米纤维与周围环境界面处的反射和折射，以及高孔隙率导致的大量空气-纤维界面，界面处折射率差异使光强烈反射或折射，导致NFMs不透明。电喷雾二十烷后，液态二十烷的折射率与PU纳米纤维相似，光反射/折射率大大降低，NFMs在加热后表现出良好的光传输。
六、结论
通过电纺和电喷雾技术成功开发出具有快速有效透明转变能力的柔性NFMs，电纺技术可创建具有优异机械性能和均匀直径的NFMs，通过电喷雾添加不同的相变材料可使温度升高（>37°C）时透射率发生变化，这是对现有只能创建白色NFMs的电纺技术的重大改进。此外，制备的TRT-NFMs对温度变化响应迅速，响应间隔短，稳定性好。该研究为探索先进的响应和功能材料提供了基础，可应用于下一代正面温度贴纸、防伪贴纸、蔬菜温室和调光窗户等领域。
参考文献
Zhao C, et al. Diphylleia Grayi-Inspired Intelligent Temperature-Responsive Transparent Nanofiber Membranes. Nanomicro Lett. 2024 Jan 4;16(1):65.