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气凝胶被认为是理想的保温隔热材料，但它们的易碎性和较差的可加工性，使其在纺织品中的应用受到很大限制。

在此，浙江大学柏浩研究员和高微微副教授等人模仿北极熊毛发的核壳结构，通过用可拉伸层封装气凝胶纤维（EAF）来克服气凝胶易碎性和较差的可加工性问题。尽管其内部孔隙率高达90%以上，但本文中展现的的纤维具有1000%的应变，与传统气凝胶纤维（~2%应变）相比拉伸性能得到大幅度提高。同时，除了耐洗性和可色性外，本文的纤维还具有机械强度，在10000次拉伸循环（100%应变）后仍能保持其稳定的保温性能。更加重要的是，使用本文纤维编织的毛衣的厚度只有羽绒的五分之一，性能相似，这种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。

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研究背景

气凝胶因其高孔隙率和极低的导热系数而被公认为最佳的保温材料。自20世纪30年代发明以来，气凝胶已广泛应用于工程领域，例如绿色建筑、储能装置、催化剂载体、环境处理等。不幸的是，气凝胶在保温纺织品中的应用受到很大限制，它们易碎且加工性能差，通常不可避免地会产生不可逆的结构坍塌，从而在纺织品的实际应用中失去保温性能。尽管已经有一些尝试将气凝胶混合到机织或无纺布织物中，但由于在高掺杂含量下可加工性差或在低含量下低效的保温效果。除了将气凝胶掺杂或包覆到纺织品上外，还努力直接开发具有优异保温性能的气凝胶纤维。尽管这些最近开发的气凝胶纤维中的一些已经获得了更好的机械性能，但它们仍然没有足够的强度和柔韧性来编织或编织成纺织品，特别是在大面积。此外，这些气凝胶纤维不可机洗，在水下或潮湿环境中容易失去保温能力。因此，设计和制造具有优异保温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挑战。

许多动物已经进化出特殊的皮毛，以便在极冷的环境中生存。一个典型的例子是，北极熊的毛发表现出独特的核壳结构。具有高孔隙率的空心有效地捕获空气并提供出色的保温性能，致密的外壳提供有效的机械保护（抗拉强度和应变分别约为300 MPa和35%）。因此，长期以来，人们一直对北极熊毛在北极地区保温的能力着迷，模仿北极熊毛发的策略是开发坚固的保温材料，特别是纤维和纺织品的可行方法。

研究内容

EAF的仿生原理与制备

基于此，作者在气凝胶纤维中封装了一层薄而可拉伸的层，而不会严重牺牲保温性能。通过模仿北极熊毛发的核壳结构，同时实现了保温和机械坚固性，且封装的气凝胶纤维（EAF）是可编织的。北极熊毛具有多孔的核心和致密的外壳结构，以防止热量损失（图1A），这些结构特征将毛发的保温功能和机械强度分离，为设计和制备合成纤维提供了灵感。北极熊毛具有数十微米大小的大量孔隙，可捕获大量静止空气，从而有效抑制热传导和对流。排列的多孔壁大大减少了导热路径的数量，并为强红外（IR）反射率提供了多重反射效果，这两者都有利于有效的保温。致密的外壳保护了多孔芯，使毛发防水，对潮湿空气不敏感，这是典型气凝胶材料中保温性能丧失的主要原因。

本文设计了一种具有类似保温机制的封装气凝胶纤维（图1B），并开发了一种简单的两步制造路线来模拟核壳结构（图1C）。首先，通过使用分散良好的聚合物溶液进行冷冻纺丝，将其挤出到寒冷区域，以产生连续稳定的冰纤维，同时使用电机收集。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，用TPU溶液包覆气凝胶纤维，通过涂层干燥设备进行干燥，得到具有仿生核壳结构的封装气凝胶纤维。与北极熊毛发相比，制备的EAF表现出相似的核壳微观结构，如SEM图像所示（图1D，E），且实现了各种大范围的壳厚和孔径的EAF（图1F）。

图1. 封装气凝胶纤维的设计与制造

EAF的保温和机械性能

一般来说，封装层对纤维性能有相反的影响，较厚的层提供更坚固的纤维，但会降低其保温效率。因此，作者优化了封装层的厚度，以确保EAF同时具有出色的保温性和机械强度。结果显示，和预期一样，气凝胶纤维的保温性能随着封装层的加厚而下降，力学性能在加入致密封装层后变得高度坚固和可拉伸，图2G中总结了拉伸强度和保温性能相对于层厚度的变化。清楚地表明，添加封装层可以大大提高气凝胶纤维的机械性能，同时保持保温性能。因此，将直径为600 mm的气凝胶纤维的封装层设置在80 mm左右，以确保出色的保温性和机械性能。

图2. 厚度可控的微观结构及其热力学性能表征

EAF的多功能性

封装层不仅为气凝胶纤维提供了足够的强度，而且保护了其在循环拉伸下的保温性能。致密且完整的封装层使EAF在拉伸到甚至1000%应变后能够完全恢复，其长度没有变化（图 3A，B）。在日常穿着中，纤维会受到循环拉伸和径向压缩，这是常规气凝胶纤维难达到的。通过测量纤维表面（40°C）的平衡温差，研究了循环拉伸后EAF的保温性能（图3C）。本文的EAF的保温性能非常稳定，|∆T|即使在100%应变下的10000次拉伸循环后也稳定在2.7°C左右，这表明即使每天磨损，该性能也能保持不变。将这种稳定的保温性能归因于坚固的封装层，这确保了纤维的完整性。除了拉伸外，EAF也可以从超过40%应变的径向压缩中恢复。这些结果表明，通过引入封装层，EAF同时具有保温性和机械强度。

图3. EAF的保温稳定性、防水性、柔韧性和染色性

基于EAF的保温纺织品

基于其出色的柔韧性和强度，进一步将EAF编织成气凝胶纺织品。作者将用EAF与尼龙、聚酯（PET、聚对苯二甲酸乙二醇酯）和类似厚度的羊毛纺织品放在相同的热台上，将它们进行比较（图4A）。因此，当载物台温度稳定在40°C时，较高的|∆T|EAF织品显示出更好的保温性能（图4B）。此外，还使用工业剑杆织机将EAF编织成40×25厘米的纺织品（图4C），这反映了使用EAF制备可扩展隔热纺织品的潜力，这一直是限制传统气凝胶纤维发展的主要障碍。隔热织物的放大图显示了一个没有缺陷的典型平织结构，表明EAF可以抵抗编织过程中的剪切和拉伸（图4D）。由此产生的纺织品也足够柔韧，可以折叠或弯曲成各种形状，这对于舒适穿着也至关重要（图 4E ）。此外，由于封装层的存在，本文的纺织品也是可水洗的，使用商业化洗衣机洗涤后，没有观察到外观有任何明显变化（图4H， I）

图4. 具有优异保温性和机械强度的气凝胶纺织品

综上所述，本文解决了易碎气凝胶在保温纺织品中实际应用的长期障碍。与在纺织品中掺杂或涂覆气凝胶的传统策略截然不同，作者通过开发一种具有层状孔隙的相对坚固的聚合物气凝胶纤维，使用仿生方法实现了气凝胶纤维的热性能和机械性能分别设计，用可拉伸的橡胶层将其封装来实现这一目标。

在封装层厚度仅为约80 μm的情况下，气凝胶纤维的拉伸应变比传统气凝胶纤维大幅提高了500倍以上。更值得注意的是，EAF可以承受超过10000次装卸拉伸循环，具有极高的隔热稳定性，表明其卓越的耐用性。由于封装层的保护，EAF适用于织造和针织，这对于大规模准备至关重要。此外，纺织品还具有出色的柔韧性、耐洗性和染色性，这些对于纺织品的实际应用都至关重要。

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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