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氣凝膠被認(rèn)為是理想的保溫隔熱材料，但它們的易碎性和較差的可加工性，使其在紡織品中的應(yīng)用受到很大限制。

在此，浙江大學(xué)柏浩研究員和高微微副教授等人模仿北極熊毛發(fā)的核殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)用可拉伸層封裝氣凝膠纖維（EAF）來(lái)克服氣凝膠易碎性和較差的可加工性問(wèn)題。盡管其內(nèi)部孔隙率高達(dá)90%以上，但本文中展現(xiàn)的的纖維具有1000%的應(yīng)變，與傳統(tǒng)氣凝膠纖維（~2%應(yīng)變）相比拉伸性能得到大幅度提高。同時(shí)，除了耐洗性和可色性外，本文的纖維還具有機(jī)械強(qiáng)度，在10000次拉伸循環(huán)（100%應(yīng)變）后仍能保持其穩(wěn)定的保溫性能。更加重要的是，使用本文纖維編織的毛衣的厚度只有羽絨的五分之一，性能相似，這種纖維策略為開(kāi)發(fā)多功能氣凝膠纖維和紡織品提供了豐富的可能性。

相關(guān)文章以“Dealuminated Beta zeolite reverses Ostwald ripening for durable copper nanoparticle catalysts”為題發(fā)表在Science上。

研究背景

氣凝膠因其高孔隙率和極低的導(dǎo)熱系數(shù)而被公認(rèn)為最佳的保溫材料。自20世紀(jì)30年代發(fā)明以來(lái)，氣凝膠已廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，例如綠色建筑、儲(chǔ)能裝置、催化劑載體、環(huán)境處理等。不幸的是，氣凝膠在保溫紡織品中的應(yīng)用受到很大限制，它們易碎且加工性能差，通常不可避免地會(huì)產(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)坍塌，從而在紡織品的實(shí)際應(yīng)用中失去保溫性能。盡管已經(jīng)有一些嘗試將氣凝膠混合到機(jī)織或無(wú)紡布織物中，但由于在高摻雜含量下可加工性差或在低含量下低效的保溫效果。除了將氣凝膠摻雜或包覆到紡織品上外，還努力直接開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異保溫性能的氣凝膠纖維。盡管這些最近開(kāi)發(fā)的氣凝膠纖維中的一些已經(jīng)獲得了更好的機(jī)械性能，但它們?nèi)匀粵](méi)有足夠的強(qiáng)度和柔韌性來(lái)編織或編織成紡織品，特別是在大面積。此外，這些氣凝膠纖維不可機(jī)洗，在水下或潮濕環(huán)境中容易失去保溫能力。因此，設(shè)計(jì)和制造具有優(yōu)異保溫性能和多功能性的可針織和可編織氣凝膠纖維仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

許多動(dòng)物已經(jīng)進(jìn)化出特殊的皮毛，以便在極冷的環(huán)境中生存。一個(gè)典型的例子是，北極熊的毛發(fā)表現(xiàn)出獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)。具有高孔隙率的空心有效地捕獲空氣并提供出色的保溫性能，致密的外殼提供有效的機(jī)械保護(hù)（抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變分別約為300 MPa和35%）。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直對(duì)北極熊毛在北極地區(qū)保溫的能力著迷，模仿北極熊毛發(fā)的策略是開(kāi)發(fā)堅(jiān)固的保溫材料，特別是纖維和紡織品的可行方法。

研究?jī)?nèi)容

EAF的仿生原理與制備

基于此，作者在氣凝膠纖維中封裝了一層薄而可拉伸的層，而不會(huì)嚴(yán)重犧牲保溫性能。通過(guò)模仿北極熊毛發(fā)的核殼結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了保溫和機(jī)械堅(jiān)固性，且封裝的氣凝膠纖維（EAF）是可編織的。北極熊毛具有多孔的核心和致密的外殼結(jié)構(gòu)，以防止熱量損失（圖1A），這些結(jié)構(gòu)特征將毛發(fā)的保溫功能和機(jī)械強(qiáng)度分離，為設(shè)計(jì)和制備合成纖維提供了靈感。北極熊毛具有數(shù)十微米大小的大量孔隙，可捕獲大量靜止空氣，從而有效抑制熱傳導(dǎo)和對(duì)流。排列的多孔壁大大減少了導(dǎo)熱路徑的數(shù)量，并為強(qiáng)紅外（IR）反射率提供了多重反射效果，這兩者都有利于有效的保溫。致密的外殼保護(hù)了多孔芯，使毛發(fā)防水，對(duì)潮濕空氣不敏感，這是典型氣凝膠材料中保溫性能喪失的主要原因。

本文設(shè)計(jì)了一種具有類似保溫機(jī)制的封裝氣凝膠纖維（圖1B），并開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的兩步制造路線來(lái)模擬核殼結(jié)構(gòu)（圖1C）。首先，通過(guò)使用分散良好的聚合物溶液進(jìn)行冷凍紡絲，將其擠出到寒冷區(qū)域，以產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的冰纖維，同時(shí)使用電機(jī)收集。通過(guò)控制擠出速度和冷源溫度，可以調(diào)節(jié)氣凝膠纖維內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)。隨后，將收集的冷凍纖維冷凍干燥，以保留纖維內(nèi)的層狀多孔結(jié)構(gòu)。最后，用TPU溶液包覆氣凝膠纖維，通過(guò)涂層干燥設(shè)備進(jìn)行干燥，得到具有仿生核殼結(jié)構(gòu)的封裝氣凝膠纖維。與北極熊毛發(fā)相比，制備的EAF表現(xiàn)出相似的核殼微觀結(jié)構(gòu)，如SEM圖像所示（圖1D，E），且實(shí)現(xiàn)了各種大范圍的殼厚和孔徑的EAF（圖1F）。

圖1. 封裝氣凝膠纖維的設(shè)計(jì)與制造

EAF的保溫和機(jī)械性能

一般來(lái)說(shuō)，封裝層對(duì)纖維性能有相反的影響，較厚的層提供更堅(jiān)固的纖維，但會(huì)降低其保溫效率。因此，作者優(yōu)化了封裝層的厚度，以確保EAF同時(shí)具有出色的保溫性和機(jī)械強(qiáng)度。結(jié)果顯示，和預(yù)期一樣，氣凝膠纖維的保溫性能隨著封裝層的加厚而下降，力學(xué)性能在加入致密封裝層后變得高度堅(jiān)固和可拉伸，圖2G中總結(jié)了拉伸強(qiáng)度和保溫性能相對(duì)于層厚度的變化。清楚地表明，添加封裝層可以大大提高氣凝膠纖維的機(jī)械性能，同時(shí)保持保溫性能。因此，將直徑為600 mm的氣凝膠纖維的封裝層設(shè)置在80 mm左右，以確保出色的保溫性和機(jī)械性能。

圖2. 厚度可控的微觀結(jié)構(gòu)及其熱力學(xué)性能表征

EAF的多功能性

封裝層不僅為氣凝膠纖維提供了足夠的強(qiáng)度，而且保護(hù)了其在循環(huán)拉伸下的保溫性能。致密且完整的封裝層使EAF在拉伸到甚至1000%應(yīng)變后能夠完全恢復(fù)，其長(zhǎng)度沒(méi)有變化（圖 3A，B）。在日常穿著中，纖維會(huì)受到循環(huán)拉伸和徑向壓縮，這是常規(guī)氣凝膠纖維難達(dá)到的。通過(guò)測(cè)量纖維表面（40°C）的平衡溫差，研究了循環(huán)拉伸后EAF的保溫性能（圖3C）。本文的EAF的保溫性能非常穩(wěn)定，|?T|即使在100%應(yīng)變下的10000次拉伸循環(huán)后也穩(wěn)定在2.7°C左右，這表明即使每天磨損，該性能也能保持不變。將這種穩(wěn)定的保溫性能歸因于堅(jiān)固的封裝層，這確保了纖維的完整性。除了拉伸外，EAF也可以從超過(guò)40%應(yīng)變的徑向壓縮中恢復(fù)。這些結(jié)果表明，通過(guò)引入封裝層，EAF同時(shí)具有保溫性和機(jī)械強(qiáng)度。

圖3.?EAF的保溫穩(wěn)定性、防水性、柔韌性和染色性

基于EAF的保溫紡織品

基于其出色的柔韌性和強(qiáng)度，進(jìn)一步將EAF編織成氣凝膠紡織品。作者將用EAF與尼龍、聚酯（PET、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）和類似厚度的羊毛紡織品放在相同的熱臺(tái)上，將它們進(jìn)行比較（圖4A）。因此，當(dāng)載物臺(tái)溫度穩(wěn)定在40°C時(shí)，較高的|?T|EAF織品顯示出更好的保溫性能（圖4B）。此外，還使用工業(yè)劍桿織機(jī)將EAF編織成40×25厘米的紡織品（圖4C），這反映了使用EAF制備可擴(kuò)展隔熱紡織品的潛力，這一直是限制傳統(tǒng)氣凝膠纖維發(fā)展的主要障礙。隔熱織物的放大圖顯示了一個(gè)沒(méi)有缺陷的典型平織結(jié)構(gòu)，表明EAF可以抵抗編織過(guò)程中的剪切和拉伸（圖4D）。由此產(chǎn)生的紡織品也足夠柔韌，可以折疊或彎曲成各種形狀，這對(duì)于舒適穿著也至關(guān)重要（圖?4E?）。此外，由于封裝層的存在，本文的紡織品也是可水洗的，使用商業(yè)化洗衣機(jī)洗滌后，沒(méi)有觀察到外觀有任何明顯變化（圖4H， I）

圖4.?具有優(yōu)異保溫性和機(jī)械強(qiáng)度的氣凝膠紡織品

綜上所述，本文解決了易碎氣凝膠在保溫紡織品中實(shí)際應(yīng)用的長(zhǎng)期障礙。與在紡織品中摻雜或涂覆氣凝膠的傳統(tǒng)策略截然不同，作者通過(guò)開(kāi)發(fā)一種具有層狀孔隙的相對(duì)堅(jiān)固的聚合物氣凝膠纖維，使用仿生方法實(shí)現(xiàn)了氣凝膠纖維的熱性能和機(jī)械性能分別設(shè)計(jì)，用可拉伸的橡膠層將其封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

在封裝層厚度僅為約80 μm的情況下，氣凝膠纖維的拉伸應(yīng)變比傳統(tǒng)氣凝膠纖維大幅提高了500倍以上。更值得注意的是，EAF可以承受超過(guò)10000次裝卸拉伸循環(huán)，具有極高的隔熱穩(wěn)定性，表明其卓越的耐用性。由于封裝層的保護(hù)，EAF適用于織造和針織，這對(duì)于大規(guī)模準(zhǔn)備至關(guān)重要。此外，紡織品還具有出色的柔韌性、耐洗性和染色性，這些對(duì)于紡織品的實(shí)際應(yīng)用都至關(guān)重要。

Mingrui Wu, Ziyu Shao, Nifang Zhao, Rongzhen Zhang, Guodong Yuan, Lulu Tian, Zibei Zhang, Weiwei Gao, and Hao Bai, Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013

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