科学通报|新型热绝缘纤维: 可针织和编织的仿北极熊毛气凝胶纤维

本文发表于《科学通报》亮点述评栏目，由清华大学张莹莹教授课题组点评浙江大学柏浩教授团队与合作者发表在Science的研究成果。

保暖织物在人类生活中扮演着不可或缺的重要角色. 传统保暖织物通常由天然纤维(棉、麻、蚕丝)或人造纤维(聚酯、尼龙、聚丙烯腈、聚氨酯)构成. 随着时代发展, 传统保暖织物的性能已经不能满足日益提高的特别是面对极端复杂环境的保暖需求. 气凝胶纤维是一种具有三维多孔网络结构的纤维, 具有极高的孔隙率、极大的比表面积和极低的密度, 是一种理想的绝热纤维, 具有用于高性能保暖织物的潜力. 然而, 气凝胶纤维通常强度低、韧性差, 被加工应用的能力较差, 限制了其应用于保暖衣物 [1] . 在过去10年里, 研究者基于各种材料, 包括碳纳米管、凯夫拉、聚酰亚胺、纤维素和石墨烯等, 通过溶胶凝胶转变和特定的干燥方法, 并通过结构设计成功制备了具有一定力学柔韧性(可弯曲、打结)的气凝胶纤维 [2] . 但是, 上述方法获得的气凝胶纤维的力学性能仍然无法满足织造(编织和针织)的要求, 更无法满足耐水洗、耐磨等实用性织物的要求.

近日, 浙江大学柏浩团队与合作者[3] 报道了一种具有超强隔热性能、可编织、可针织的仿生气凝胶纤维. 在自然界中, 北极熊凭借其高性能“保暖外套”——北极熊毛在极寒的北极生活. 北极熊毛是一种中空结构, 里面含有大量“静止”的空气, 具有超强保暖的能力 [4] . 受此启发, 他们首先通过冷冻纺丝、冷冻干燥得到气凝胶纤维, 然后用热塑性聚氨酯进行封装, 得到可拉伸的封装气凝胶纤维(encapsulated aerogel fiber, EAFs; 图1(a) ) [3] . 由于其“芯”层为气凝胶纤维, EAFs的内部孔隙率高达90%以上, 纤维内部大量的空气使其导热系数与空气相近 (26.9±1.8 mW m−1 K−1), 具有非常优异的绝热性能(优于尼龙、聚酯、羊毛). 同时, 由于热塑性聚氨酯“壳”层的存在, 其拉伸应变可高达1000%( 图1(b) ), EAFs在经过10000次拉伸后仍能保持稳定的隔热性能( 图1(c) ). 与之对比, 传统气凝胶纤维只能耐受约2%的应变. 由于EAFs优异的力学性能, 其可被制作成大块的柔性织物( 图1(d) ).

研究发现, 用EAFs制作的毛衣厚度仅为羽绒的1/5, 但性能却与羽绒相似. 在−20°C的环境中, EAF毛衣的保暖性能显著优于羊毛衫和棉毛衫( 图1(e) ), 并且在水洗后仍能保持其绝热性能( 图1(f) ), 证明了该织物优异的保暖能力. 该研究的气凝胶纤维不仅具有出色的隔热性能和力学柔韧性, 而且具有连续化生产的潜力, 成为理想的面对极寒环境的材料选择.

该工作针对传统气凝胶纤维无法兼顾高力学性能和高绝热性能的难题, 提出了仿北极熊毛的核壳结构制备弹性聚氨酯封装的气凝胶纤维这一创新思路. 这项工作为多功能气凝胶纤维和先进热绝缘纺织品的研制提供了新的策略. 但是, 面向实际应用, 还有系列科学和技术问题有待攻克. 首先, 气凝胶纤维的冷冻纺丝速度远低于工业化生产的传统纤维湿法纺丝、干法纺丝和熔融纺丝. 一方面, 制备气凝胶纤维的冷冻过程是一个相变过程, 转变速率受热力学和动力学因素影响; 另一方面, 后续的冷冻干燥过程也制约了制备效率. 较低的制备效率限制了其规模化生产和实际应用. 要实现气凝胶纤维的连续生产, 需要在快速溶胶凝胶转变和快速减压去除溶剂的机制与工艺技术方面取得突破. 此外, 材料和工艺的环保性、可持续性、舒适性等也是面向实际应用需要关注的重要问题, 这些问题还有待进一步考查, 并根据实际需求进行优化和调整. 尽管存在上述问题和挑战, 然而气凝胶纤维无疑是一种极有潜力的保暖材料. 我们相信在科技工作者的持续努力下, 气凝胶纤维一定会走入人类的生活, 特别是在航天航空、国防军事、应对极端天气等方面发挥独特价值.

图1 封装气凝胶纤维的制备、拉伸应变以及编织织物的热绝缘展示 [3] . (a) 封装气凝胶纤维的制备; (b) 不同封装层厚度的EAFs的应力应变曲线; (c) 在应变为100%的拉伸循环下, EAFs表面与40°C热台的温差; (d) 40 cm×25 cm 的EAF纺织品的光学图像、编织结构及柔性; (e) 在−20°C的环境中, 一名穿着EAF纺织品、羽绒服、羊毛衫和棉毛衫志愿者的红外图像; (f) 在−20°C的环境中, 穿着洗涤后EAF织物的志愿者的红外图像

参考文献

[1] Li X, Dong G, Liu Z, et al. Polyimide Aerogel Fibers with Superior Flame Resistance, Strength, Hydrophobicity, and Flexibility Made via a Universal Sol–Gel Confined Transition Strategy. ACS Nano, 2021, 15: 4759-4768

[2] Sheng Z Z, Liu Z W, Hou Y L, et al. The Rising Aerogel Fibers: Status, Challenges, and Opportunities. Advanced Science, 2023, 10: 2205762

[3] Lavigne D M, ØRitsland N A. Black polar bears. Nature, 1974, 251: 218-219

[4] Wu M, Shao Z, Zhao N, et al. Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile. Science, 2023, 382: 1379-1383

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