在气凝胶纤维中模拟北极熊的毛发

        自 1931 年气凝胶被发明以来，一直以来都被认为是一种超级隔热材料。气凝胶的制作是通过用气体替代凝胶中的液体，同时保持稳定的网络结构。美国国家航空航天局在火星探测器等太空飞行器中成功地采用了气凝胶，这引起了人们对在个人保暖中使用气凝胶的兴趣。然而，由于气凝胶的透湿性较差，它在纺织品领域的应用一直受到限制。为了解决隔热性和透湿性之间的平衡问题，目前正在研发气凝胶纤维。然而，目前的挑战是气凝胶纤维还缺乏足够的强度和柔韧性，因此不能编织或针织成可透气的织物。因此，设计和制造出具有出色的隔热性能和多功能性的可针织和可编织气凝胶纤维仍然是一个难题。

        在此，浙江大学柏浩教授、高微微副教授模仿北极熊毛发的核壳结构，在气凝胶纤维中封装了一层可拉伸层，从而克服了这些问题。尽管气凝胶纤维的内部孔隙率高达90%以上，但其拉伸应变却显著提高到1000%。这相较于传统气凝胶纤维的2%应变，表示了很大的改进。此纤维不仅耐洗、耐染，而且具备强大的机械强度，在经历1万次拉伸循环（100%应变）后，依然能够保持稳定的隔热性能。用这种纤维编织的毛衣仅为羽绒的五分之一厚，但性能却相当。作者采取的这种多功能气凝胶纤维的策略为发展纺织品提供了广泛的可能性。相关成果以“Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile”为题发表在《Science》上，第一作者为吴明瑞。

封装气凝胶纤维的仿生原理与制作

        北极熊毛具有多孔核心和致密外壳结构，可防止热量流失（图 1A）。北极熊上的微米孔隙能够捕获大量静止空气，有效地阻止热传导和对流。排列整齐的多孔壁大大减少了导热路径，并提供强大的红外线（IR）反射率，这都有利于有效隔热。致密的外壳保护着多孔内核，使毛发防水且对潮湿空气不敏感，而这正是典型气凝胶材料失去隔热性能的主要原因。作者设计了一种具有类似隔热机制的封装气凝胶纤维（EAF），采用分两步模拟核壳结构的简便制造方法。

        首先，通过冷冻纺丝获得了气凝胶纤维。作者使用分散良好的聚合物溶液进行冷冻纺丝，通过冷区挤压生成连续稳定的冰纤维，并用电机收集。随后，对收集到的冷冻纤维进行冷冻干燥，以保留纤维内的片状多孔结构。最后，用热塑性聚氨酯溶液涂覆气凝胶纤维，并用涂覆干燥设备进行干燥，得到具有仿生核壳结构的封装气凝胶纤维。本文制备的气凝胶纤维与北极熊毛具有相似的核壳微观结构。通过这种简便的方法，能够实现具有各种外壳厚度和孔径的大规模 EAF。

图1. 封装气凝胶纤维的设计和制造

封装气凝胶纤维的隔热和机械性能

        封装层对纤维性能的影响呈现出截然相反的趋势。包裹层越厚，纤维强度越高，但隔热性能却会降低。因此，为了确保封装气凝胶纤维（EAF）同时具备出色的隔热性能和机械强度，作者对封装层的厚度进行了优化。随着封装层的增厚，气凝胶纤维的隔热性能逐渐减弱。单根纤维的 ΔT 值低于纺织品，这是因为较细的纤维更容易受到周围环境的影响。排列整齐的孔隙具有多重反射效果，可产生强烈的红外反射，从而大大减少热辐射。

        在机械性能方面，加入致密封装层后，气凝胶纤维变得非常坚固且可拉伸。随着封装层厚度的增加，纤维的拉伸强度从 2.3 兆帕增加到 12.7 兆帕，而伸长率则从 24% 增加到 1600%。虽然EAF 核心结构在拉伸过程中可能会断裂，但封装层仍保持连续，这确保了 EAF 结构的完整性和功能的稳定性。

图2 具有可控壳厚度的EAF的微观结构及其热性能和机械性能的表征

多功能封装气凝胶纤维

        封装层不仅能为气凝胶纤维提供足够的强度，还能在循环拉伸时保护其隔热性能。致密完好的封装层使得气凝胶纤维在拉伸到 1000% 的应变后仍能完全恢复，长度不变。作者通过测量纤维表面与背景热台（40°C）之间的平衡温差，研究了循环拉伸后 EAF 的隔热性能。EAF 的隔热性能非常稳定，即使在 100%应变条件下拉伸 10,000 次后，|ΔT| 仍稳定在 2.7°C 左右，这表明即使在日常磨损的情况下，该特性仍能保持不变。这种稳定的隔热性能归功于坚固的封装层，它确保了纤维的完整性。

        此外，作者还通过在冷冻纺丝过程中向纺丝溶液中添加各种染料制备了彩色气凝胶纤维。除了在拉伸过程中起到保护作用外，透明的封装热塑性聚氨酯层还能有效防止彩色气凝胶纤维因摩擦而褪色或损坏。此外，EAF具有很高的柔韧性，可以编织成各种编织物。

图3.EAF的隔热稳定性、防水性、柔韧性和染色性

EAF制成的隔热纺织品

        基于 EAFs 极佳的柔韧性和强度，进一步将其编织成气凝胶纺织品。作者将 EAF 与尼龙、聚酯和羊毛纺织品放在同一热台上进行比较。结果证实 EAF 纺织品的隔热性能更为出色。此外，作者还使用工业用剑杆织机将 EAF 织成了 40 × 25 厘米的织物。这反映出EAF 具有生产可扩展隔热纺织品的潜力。隔热纺织品的放大图显示了典型的平纹编织结构，没有缺陷，这表明EAF 可以抵抗编织过程中的剪切和拉伸。由此产生的织物还具有足够的柔韧性，可以折叠或弯曲成各种形状，这对于舒适的穿着也至关重要。此外，由于封装层，纺织品也是可水洗的。用商用洗衣机洗涤后，没有观察到外观有任何明显变化

图 4.机织和针织气凝胶纺织品具有出色的隔热能力

小结

        本文通过采用一种生物仿生方法，解决了将易碎气凝胶应用于坚固隔热纺织品的长期问题。作者设计了气凝胶纤维的热性能和机械性能，开发了具有片状孔隙的高强度聚合物气凝胶纤维，并通过可拉伸橡胶层进行封装。封装的气凝胶纤维的拉伸应变比传统气凝胶纤维提高了500多倍。值得注意的是，EAF经受了10,000次以上的加载-卸载拉伸循环，表现出极高的隔热稳定性和非凡的耐久性。由于封装层的保护，EAF适用于大规模制备所需的编织和针织。在相同的保暖性能下，用仿生物纤维制成的薄毛衣厚度仅为羽绒服的五分之一左右。此外，此纺织品还具有卓越的柔韧性、耐洗性和可染性，这些都是纺织品实际应用的关键。这种具有出色隔热性和多功能性的纺织品在极寒环境下，如军服和太空服等领域，具有巨大的潜力。

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