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编辑丨风云
研究背景
气凝胶因其高孔隙率和极低的导热率而被公认为最好的隔热材料。自20世纪30年代发明以来，气凝胶已被广泛应用于绿色建筑、储能装置、催化剂载体、环境处理等工程领域。
关键问题
气凝胶由于其脆性和加工性能差，在隔热纺织品中的应用受到了极大的限制，在纺织品的实际应用过程中通常不可避免地会产生不可逆的结构塌陷，从而导致隔热性能的损失。尽管最近开发的一些气凝胶纤维已经实现了更好的机械性能，但它们仍缺乏足够的强度和柔韧性，且气凝胶纤维不可机洗，在水下或潮湿环境中很容易失去隔热能力。
新思路
有鉴于此，浙江大学柏浩、高微微等人通过模仿北极熊毛发的核壳结构，用可拉伸层封装气凝胶纤维克服了气凝胶脆性弱、加工性能差等问题。尽管其内部孔隙率超过90%，但该纤维可拉伸至1000%应变，与传统气凝胶纤维（约2% 应变）相比，大大提高了。除了耐洗性和可染色性之外，该纤维还具有机械强度，在10,000次拉伸循环（100% 应变）后仍能保持稳定的隔热性能。用该纤维编织的毛衣厚度仅为性能相似羽绒的五分之一。本工作所开发的纤维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。受北极熊的毛发结构的启发，作者通过两步法制备了核壳结构的气凝胶纤维，在大范围内实现了具有各种壳厚度和孔径的各种气凝胶纤维（EAF）。作者通过优化封装层的厚度，探究了EAF的隔热和机械性能，确保EAF兼具优异的隔热性能和机械强度。作者通过实验表明了本工作所开发的EAF除了具有隔热性能和机械强度之外，还具有隔热稳定性、防水性、柔韧性、染色性。作者通过将EAF编织成气凝胶纺织品，表明了用EAF编织的纺织品完美地结合了隔热性、机械强度、柔韧性、可编织性、可染色性和防水性。作者在不严重牺牲隔热性能的情况下，将气凝胶纤维包裹在一层薄的可拉伸层中。封装的EAF是可编织的，通过模仿北极熊毛的核壳结构，同时实现了隔热性和机械强度。作者使用简单的两步法连续制造了EAF，制备的EAF具有超过90%的高内部孔隙率，同时表现出约7.3至12.7 MPa 的高拉伸强度，还表现出约1000%至1600%应变的超拉伸性，与传统气凝胶纤维相比提高了近三个数量级。优异的机械性使得所开发的气凝胶纤维适合针织和机织，在保暖性相同的条件下，用该纤维编织的毛衣厚度仅为羽绒的五分之一左右，且具有出色的耐洗性和染色性。受北极熊的毛发结构的启发，作者设计了一种具有类似隔热机制的封装气凝胶纤维，并开发了一种简单的两步制造路线来模拟核壳结构。首先，通过冷冻纺丝获得气凝胶纤维，使用分散良好的聚合物溶液进行冷冻纺丝，将其通过冷区挤出，以产生连续稳定的冰纤维，并使用电机收集。通过控制挤出速度和冷源温度，可以调节气凝胶纤维内部的多孔结构。随后，将收集的冷冻纤维冷冻干燥，以保留纤维内的层状多孔结构。最后，将气凝胶纤维涂覆TPU溶液并通过涂覆干燥设备干燥，得到具有仿生核壳结构的封装气凝胶纤维。
较厚的封装层提供更强的纤维，但降低了其隔热效率。因此，作者优化了封装层的厚度，以确保EAF兼具优异的隔热性能和机械强度。作者通过改变涂层溶液的粘度和改变涂层时间来控制壳厚度，实验表明气凝胶纤维的隔热性能随着封装层的增加而降低，就机械性能而言，气凝胶纤维在包含致密封装层后变得高度坚固且可拉伸。作者总结了拉伸强度和隔热性能随封装层厚度的变化，清楚地表明封装层的添加可以显着提高气凝胶纤维的机械性能，同时保持隔热性能。直径600μm的气凝胶纤维的封装层设置为80μm左右，可以保证优异的隔热性能和力学性能。
图 可控壳层厚度EAFs的微观结构及其热学和力学性能表征
作者通过测量纤维表面和背景热台之间的平衡温差来研究循环拉伸后EAF的隔热性能，表明EAF 的隔热性能非常稳定，即使在100%应变下进行10000 次拉伸循环后，温度仍稳定在2.7°C左右，这表明即使日常穿着，该性能也能保持不变。此外，EAF 还可以从超过40%应变的径向压缩中恢复，表明，通过引入封装层的EAF既具有隔热性又具有机械稳定性性。通过在冷冻纺丝过程中向纺丝溶液中添加各种染料来制备彩色EAF，除了在拉伸过程中提供保护外，透明的封装TPU层还可以有效防止彩色气凝胶纤维因摩擦而褪色或损坏。由于具有高柔韧性，作者通过中国结证实了EAF是可编织的。此外，封装层还为纤维提供了优异的防水性。
基于EAF优异的柔韧性和强度，作者进一步将EAF编织成气凝胶纺织品。将 EAF 编织的纺织品与厚度相似的尼龙、聚酯和羊毛纺织品进行比较，结果EAF纺织品的导热系数远低于其他纺织品。此外，进一步使用工业剑杆织机将EAF编织成纺织品，隔热纺织品的放大图显示了典型的无缺陷的平织结构，表明EAF可以抵抗编织过程中的剪切和拉伸。由此产生的纺织品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。将纺织品与羽绒放在同一热台上，比较它们的隔热性能。当它们表现出相似的隔热性能时， EAF纺织品的厚度仅为羽绒的五分之一左右。所有数据表明，用EAF编织的纺织品完美地结合了隔热性、机械强度、柔韧性、可编织性、可染色性和防水性，这些对于下一代隔热纺织品的开发至关重要。
展望
总之，本工作解决了脆弱气凝胶在坚固的隔热纺织品中实际应用的长期障碍。作者采用仿生方法，分别设计气凝胶纤维的热性能和机械性能。通过开发一种相对坚固的具有层状孔的聚合物气凝胶纤维，然后用可拉伸的橡胶层将其封装来实现这一目标。由于封装层的保护，EAF适合机织和针织，这对于大规模制备至关重要。此类纺织品具有优异的隔热性和多功能性，在极寒环境下的军服、宇航服等领域具有巨大潜力。除了这一概念验证工作之外，该研究还强调了多功能纤维和纺织品仿生设计的不同策略，这是可穿戴电子产品和个人热管理等各种新兴应用所必需的。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
