浙江大学最新Science：用于隔热纺织品的仿生、可编织气凝胶纤维

浙江大学最新Science：用于隔热纺织品的仿生、可编织气凝胶纤维

【导读】

近几天，全国各地气温的骤降使人们纷纷穿上了厚厚的棉衣、羽绒服来进行保暖。羽绒服保暖的主要原理是通过鹅绒、鸭绒等纤维，封装大量“静止”的空气，抑制热传导和热对流的作用来减少热量流失。然而，略显臃肿的棉衣对人的行动会带来一定限制。

为了追求在保暖的同时更加轻薄，需要用更少的材料封装更多空气。孔隙率极高、密度比空气还小的气凝胶（空气占总体积90%以上）被认为是一种理想隔热材料。不幸的是，它们的易碎性和较差的加工性极大地限制了它们在纺织品中的应用，通常不可避免地导致不可逆的结构坍塌，从而在纺织品的实际应用过程中丧失隔热性能。因此，开发出一款兼具保暖、轻薄和耐用的气凝胶成为一项巨大的挑战。

【成果掠影】

今日，浙江大学柏浩教授、高微微副教授课题组合作，模仿北极熊毛的核壳结构，开发了一种新型纤维，该纤维的“核”是一种高分子气凝胶，其内部分布着朝着同一个方向排列且直径大约为10-30 μm的纤长的小孔，像一个个存储空气的“仓库”。同时，一层TPU（热塑性聚氨酯弹性体）外壳将内部的气凝胶包裹起来。尽管其内部孔隙率高达90%以上，但本工作的纤维可拉伸高达1000%应变，与传统气凝胶纤维（~2%应变）相比有了很大的提高。除了其耐洗性和可染性外，本工作的纤维在10000次拉伸循环（100%应变）后保持其稳定的隔热性能。用本工作的纤维编织的毛衫，厚度只有羽绒的五分之一，性能相似。本工作对这种纤维的策略为开发多功能气凝胶纤维和纺织品提供了丰富的可能性。相关论文以题为“Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile”的论文发表在Science上。

【数据概况】

图1. 封装型气凝胶纤维的设计与制备© 2023 AAAS

图2. 可控壳层厚度EAFs的微观结构及其热学和力学性能表征© 2023 AAAS

图3. EAF的保温稳定性、防水性、柔韧性、可染性© 2023 AAAS

图4. 具有突出隔热能力的机织和针织气凝胶纺织品© 2023 AAAS

【成果启示】

总之，本工作解决了脆弱气凝胶在坚固隔热纺织品中实际应用这一长期问题。与传统的在织物中掺杂或涂覆气凝胶的策略截然不同，本工作采用了一种仿生的方法，分别设计了气凝胶纤维的热学和机械性能。本工作通过开发具有片层孔隙的相对牢固的聚合物气凝胶纤维，然后用可拉伸的橡胶层将其封装起来实现了这一点。当封装层厚度仅为80 μm左右时，与传统气凝胶纤维相比，封装气凝胶纤维的拉伸应变提高了500倍以上。更值得注意的是，EAF可以承受超过10000次的加载-卸载拉伸循环，具有极好的隔热稳定性，表明其具有优异的耐久性。由于封装层的保护，电纺纤维适合编织和编织，这对于大规模制备是必不可少的。由本工作的仿生纤维制成的薄毛衫，在同样的保暖性下，厚度只有羽绒服的五分之一左右。此外，本工作的纺织品还表现出优异的柔韧性、耐洗性和可染性，这些都对纺织品的实际应用至关重要。此类纺织品具有优异的隔热性能和多功能特性，在极寒环境下的军服、航天服等领域具有巨大的应用潜力。除了这些概念验证工作之外，本工作的研究还强调了不同的多功能纤维和纺织品的仿生设计策略，这些都是可穿戴电子和个人热管理等各种新兴应用所需要的。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013

本文由温华供稿。