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編輯丨風云
研究背景
氣凝膠因其高孔隙率和極低的導熱率而被公認為最好的隔熱材料。自20世紀30年代發(fā)明以來，氣凝膠已被廣泛應用于綠色建筑、儲能裝置、催化劑載體、環(huán)境處理等工程領域。
關鍵問題
氣凝膠由于其脆性和加工性能差，在隔熱紡織品中的應用受到了極大的限制，在紡織品的實際應用過程中通常不可避免地會產生不可逆的結構塌陷，從而導致隔熱性能的損失。2、目前開發(fā)的氣凝膠纖維仍缺乏足夠的強度和柔韌性盡管最近開發(fā)的一些氣凝膠纖維已經實現(xiàn)了更好的機械性能，但它們仍缺乏足夠的強度和柔韌性，且氣凝膠纖維不可機洗，在水下或潮濕環(huán)境中很容易失去隔熱能力。
新思路
有鑒于此，浙江大學柏浩、高微微等人通過模仿北極熊毛發(fā)的核殼結構，用可拉伸層封裝氣凝膠纖維克服了氣凝膠脆性弱、加工性能差等問題。盡管其內部孔隙率超過90%，但該纖維可拉伸至1000%應變，與傳統(tǒng)氣凝膠纖維（約2% 應變）相比，大大提高了。除了耐洗性和可染色性之外，該纖維還具有機械強度，在10,000次拉伸循環(huán)（100% 應變）后仍能保持穩(wěn)定的隔熱性能。用該纖維編織的毛衣厚度僅為性能相似羽絨的五分之一。本工作所開發(fā)的纖維策略為開發(fā)多功能氣凝膠纖維和紡織品提供了豐富的可能性。受北極熊的毛發(fā)結構的啟發(fā)，作者通過兩步法制備了核殼結構的氣凝膠纖維，在大范圍內實現(xiàn)了具有各種殼厚度和孔徑的各種氣凝膠纖維（EAF）。作者通過優(yōu)化封裝層的厚度，探究了EAF的隔熱和機械性能，確保EAF兼具優(yōu)異的隔熱性能和機械強度。作者通過實驗表明了本工作所開發(fā)的EAF除了具有隔熱性能和機械強度之外，還具有隔熱穩(wěn)定性、防水性、柔韌性、染色性。作者通過將EAF編織成氣凝膠紡織品，表明了用EAF編織的紡織品完美地結合了隔熱性、機械強度、柔韌性、可編織性、可染色性和防水性。1、同時實現(xiàn)了氣凝膠纖維的隔熱性能和機械穩(wěn)定性作者在不嚴重犧牲隔熱性能的情況下，將氣凝膠纖維包裹在一層薄的可拉伸層中。封裝的EAF是可編織的，通過模仿北極熊毛的核殼結構，同時實現(xiàn)了隔熱性和機械強度。2、將氣凝膠纖維的應變性能提高了近3個數(shù)量級作者使用簡單的兩步法連續(xù)制造了EAF，制備的EAF具有超過90%的高內部孔隙率，同時表現(xiàn)出約7.3至12.7 MPa 的高拉伸強度，還表現(xiàn)出約1000%至1600%應變的超拉伸性，與傳統(tǒng)氣凝膠纖維相比提高了近三個數(shù)量級。優(yōu)異的機械性使得所開發(fā)的氣凝膠纖維適合針織和機織，在保暖性相同的條件下，用該纖維編織的毛衣厚度僅為羽絨的五分之一左右，且具有出色的耐洗性和染色性。受北極熊的毛發(fā)結構的啟發(fā)，作者設計了一種具有類似隔熱機制的封裝氣凝膠纖維，并開發(fā)了一種簡單的兩步制造路線來模擬核殼結構。首先，通過冷凍紡絲獲得氣凝膠纖維，使用分散良好的聚合物溶液進行冷凍紡絲，將其通過冷區(qū)擠出，以產生連續(xù)穩(wěn)定的冰纖維，并使用電機收集。通過控制擠出速度和冷源溫度，可以調節(jié)氣凝膠纖維內部的多孔結構。隨后，將收集的冷凍纖維冷凍干燥，以保留纖維內的層狀多孔結構。最后，將氣凝膠纖維涂覆TPU溶液并通過涂覆干燥設備干燥，得到具有仿生核殼結構的封裝氣凝膠纖維。
較厚的封裝層提供更強的纖維，但降低了其隔熱效率。因此，作者優(yōu)化了封裝層的厚度，以確保EAF兼具優(yōu)異的隔熱性能和機械強度。作者通過改變涂層溶液的粘度和改變涂層時間來控制殼厚度，實驗表明氣凝膠纖維的隔熱性能隨著封裝層的增加而降低，就機械性能而言，氣凝膠纖維在包含致密封裝層后變得高度堅固且可拉伸。作者總結了拉伸強度和隔熱性能隨封裝層厚度的變化，清楚地表明封裝層的添加可以顯著提高氣凝膠纖維的機械性能，同時保持隔熱性能。直徑600μm的氣凝膠纖維的封裝層設置為80μm左右，可以保證優(yōu)異的隔熱性能和力學性能。
圖 可控殼層厚度EAFs的微觀結構及其熱學和力學性能表征
作者通過測量纖維表面和背景熱臺之間的平衡溫差來研究循環(huán)拉伸后EAF的隔熱性能，表明EAF 的隔熱性能非常穩(wěn)定，即使在100%應變下進行10000 次拉伸循環(huán)后，溫度仍穩(wěn)定在2.7°C左右，這表明即使日常穿著，該性能也能保持不變。此外，EAF 還可以從超過40%應變的徑向壓縮中恢復，表明，通過引入封裝層的EAF既具有隔熱性又具有機械穩(wěn)定性性。通過在冷凍紡絲過程中向紡絲溶液中添加各種染料來制備彩色EAF，除了在拉伸過程中提供保護外，透明的封裝TPU層還可以有效防止彩色氣凝膠纖維因摩擦而褪色或損壞。由于具有高柔韌性，作者通過中國結證實了EAF是可編織的。此外，封裝層還為纖維提供了優(yōu)異的防水性。
圖 EAF的隔熱穩(wěn)定性、防水性、柔韌性、染色性基于EAF優(yōu)異的柔韌性和強度，作者進一步將EAF編織成氣凝膠紡織品。將 EAF 編織的紡織品與厚度相似的尼龍、聚酯和羊毛紡織品進行比較，結果EAF紡織品的導熱系數(shù)遠低于其他紡織品。此外，進一步使用工業(yè)劍桿織機將EAF編織成紡織品，隔熱紡織品的放大圖顯示了典型的無缺陷的平織結構，表明EAF可以抵抗編織過程中的剪切和拉伸。由此產生的紡織品還具有足夠的柔韌性，可以折疊或彎曲成各種形狀，這對于舒適的穿著也至關重要。將紡織品與羽絨放在同一熱臺上，比較它們的隔熱性能。當它們表現(xiàn)出相似的隔熱性能時， EAF紡織品的厚度僅為羽絨的五分之一左右。所有數(shù)據表明，用EAF編織的紡織品完美地結合了隔熱性、機械強度、柔韌性、可編織性、可染色性和防水性，這些對于下一代隔熱紡織品的開發(fā)至關重要。
圖 具有優(yōu)異隔熱性能的機織和針織氣凝膠紡織品
展望
總之，本工作解決了脆弱氣凝膠在堅固的隔熱紡織品中實際應用的長期障礙。作者采用仿生方法，分別設計氣凝膠纖維的熱性能和機械性能。通過開發(fā)一種相對堅固的具有層狀孔的聚合物氣凝膠纖維，然后用可拉伸的橡膠層將其封裝來實現(xiàn)這一目標。由于封裝層的保護，EAF適合機織和針織，這對于大規(guī)模制備至關重要。此類紡織品具有優(yōu)異的隔熱性和多功能性，在極寒環(huán)境下的軍服、宇航服等領域具有巨大潛力。除了這一概念驗證工作之外，該研究還強調了多功能纖維和紡織品仿生設計的不同策略，這是可穿戴電子產品和個人熱管理等各種新興應用所必需的。Mingrui Wu, et al. Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile. Science, 2023, 382(6677):1379-1383.DOI: 10.1126/science.adj8013https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013
