浙江大學最新Science：用于隔熱紡織品的仿生、可編織氣凝膠纖維

浙江大學最新Science：用于隔熱紡織品的仿生、可編織氣凝膠纖維

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【導讀】

近幾天，全國各地氣溫的驟降使人們紛紛穿上了厚厚的棉衣、羽絨服來進行保暖。羽絨服保暖的主要原理是通過鵝絨、鴨絨等纖維，封裝大量“靜止”的空氣，抑制熱傳導和熱對流的作用來減少熱量流失。然而，略顯臃腫的棉衣對人的行動會帶來一定限制。

為了追求在保暖的同時更加輕薄，需要用更少的材料封裝更多空氣。孔隙率極高、密度比空氣還小的氣凝膠（空氣占總體積90%以上）被認為是一種理想隔熱材料。不幸的是，它們的易碎性和較差的加工性極大地限制了它們在紡織品中的應用，通常不可避免地導致不可逆的結構坍塌，從而在紡織品的實際應用過程中喪失隔熱性能。因此，開發出一款兼具保暖、輕薄和耐用的氣凝膠成為一項巨大的挑戰。

【成果掠影】

今日，浙江大學柏浩教授、高微微副教授課題組合作，模仿北極熊毛的核殼結構，開發了一種新型纖維，該纖維的“核”是一種高分子氣凝膠，其內部分布著朝著同一個方向排列且直徑大約為10-30 μm的纖長的小孔，像一個個存儲空氣的“倉庫”。同時，一層TPU（熱塑性聚氨酯彈性體）外殼將內部的氣凝膠包裹起來。盡管其內部孔隙率高達90%以上，但本工作的纖維可拉伸高達1000%應變，與傳統氣凝膠纖維（~2%應變）相比有了很大的提高。除了其耐洗性和可染性外，本工作的纖維在10000次拉伸循環（100%應變）后保持其穩定的隔熱性能。用本工作的纖維編織的毛衫，厚度只有羽絨的五分之一，性能相似。本工作對這種纖維的策略為開發多功能氣凝膠纖維和紡織品提供了豐富的可能性。相關論文以題為“Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile”的論文發表在Science上。

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【數據概況】

圖1. 封裝型氣凝膠纖維的設計與制備? 2023 AAAS

圖2. 可控殼層厚度EAFs的微觀結構及其熱學和力學性能表征? 2023 AAAS

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圖3. EAF的保溫穩定性、防水性、柔韌性、可染性? 2023 AAAS

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圖4. 具有突出隔熱能力的機織和針織氣凝膠紡織品? 2023 AAAS

【成果啟示】

總之，本工作解決了脆弱氣凝膠在堅固隔熱紡織品中實際應用這一長期問題。與傳統的在織物中摻雜或涂覆氣凝膠的策略截然不同，本工作采用了一種仿生的方法，分別設計了氣凝膠纖維的熱學和機械性能。本工作通過開發具有片層孔隙的相對牢固的聚合物氣凝膠纖維，然后用可拉伸的橡膠層將其封裝起來實現了這一點。當封裝層厚度僅為80 μm左右時，與傳統氣凝膠纖維相比，封裝氣凝膠纖維的拉伸應變提高了500倍以上。更值得注意的是，EAF可以承受超過10000次的加載-卸載拉伸循環，具有極好的隔熱穩定性，表明其具有優異的耐久性。由于封裝層的保護，電紡纖維適合編織和編織，這對于大規模制備是必不可少的。由本工作的仿生纖維制成的薄毛衫，在同樣的保暖性下，厚度只有羽絨服的五分之一左右。此外，本工作的紡織品還表現出優異的柔韌性、耐洗性和可染性，這些都對紡織品的實際應用至關重要。此類紡織品具有優異的隔熱性能和多功能特性，在極寒環境下的軍服、航天服等領域具有巨大的應用潛力。除了這些概念驗證工作之外，本工作的研究還強調了不同的多功能纖維和紡織品的仿生設計策略，這些都是可穿戴電子和個人熱管理等各種新興應用所需要的。

文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013

本文由溫華供稿。