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氣凝膠被認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用受到很大限制。

在此，浙江大學柏浩研究員和高微微副教授等人模仿北極熊毛發的核殼結構，通過用可拉伸層封裝氣凝膠纖維（EAF）來克服氣凝膠易碎性和較差的可加工性問題。盡管其內部孔隙率高達90%以上，但本文中展現的的纖維具有1000%的應變，與傳統氣凝膠纖維（~2%應變）相比拉伸性能得到大幅度提高。同時，除了耐洗性和可色性外，本文的纖維還具有機械強度，在10000次拉伸循環（100%應變）后仍能保持其穩定的保溫性能。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，這種纖維策略為開發多功能氣凝膠纖維和紡織品提供了豐富的可能性。

相關文章以“Dealuminated Beta zeolite reverses Ostwald ripening for durable copper nanoparticle catalysts”為題發表在Science上。

研究背景

氣凝膠因其高孔隙率和極低的導熱系數而被公認為最佳的保溫材料。自20世紀30年代發明以來，氣凝膠已廣泛應用于工程領域，例如綠色建筑、儲能裝置、催化劑載體、環境處理等。不幸的是，氣凝膠在保溫紡織品中的應用受到很大限制，它們易碎且加工性能差，通常不可避免地會產生不可逆的結構坍塌，從而在紡織品的實際應用中失去保溫性能。盡管已經有一些嘗試將氣凝膠混合到機織或無紡布織物中，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，還努力直接開發具有優異保溫性能的氣凝膠纖維。盡管這些最近開發的氣凝膠纖維中的一些已經獲得了更好的機械性能，但它們仍然沒有足夠的強度和柔韌性來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洗，在水下或潮濕環境中容易失去保溫能力。因此，設計和制造具有優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挑戰。

許多動物已經進化出特殊的皮毛，以便在極冷的環境中生存。一個典型的例子是，北極熊的毛發表現出獨特的核殼結構。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械保護（抗拉強度和應變分別約為300 MPa和35%）。因此，長期以來，人們一直對北極熊毛在北極地區保溫的能力著迷，模仿北極熊毛發的策略是開發堅固的保溫材料，特別是纖維和紡織品的可行方法。

研究內容

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，而不會嚴重犧牲保溫性能。通過模仿北極熊毛發的核殼結構，同時實現了保溫和機械堅固性，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構，以防止熱量損失（圖1A），這些結構特征將毛發的保溫功能和機械強度分離，為設計和制備合成纖維提供了靈感。北極熊毛具有數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和對流。排列的多孔壁大大減少了導熱路徑的數量，并為強紅外（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。致密的外殼保護了多孔芯，使毛發防水，對潮濕空氣不敏感，這是典型氣凝膠材料中保溫性能喪失的主要原因。

本文設計了一種具有類似保溫機制的封裝氣凝膠纖維（圖1B），并開發了一種簡單的兩步制造路線來模擬核殼結構（圖1C）。首先，通過使用分散良好的聚合物溶液進行冷凍紡絲，將其擠出到寒冷區域，以產生連續穩定的冰纖維，同時使用電機收集。通過控制擠出速度和冷源溫度，可以調節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，用TPU溶液包覆氣凝膠纖維，通過涂層干燥設備進行干燥，得到具有仿生核殼結構的封裝氣凝膠纖維。與北極熊毛發相比，制備的EAF表現出相似的核殼微觀結構，如SEM圖像所示（圖1D，E），且實現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計與制造

EAF的保溫和機械性能

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

圖2. 厚度可控的微觀結構及其熱力學性能表征

EAF的多功能性

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

圖3.?EAF的保溫穩定性、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度，進一步將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上，將它們進行比較（圖4A）。因此，當載物臺溫度穩定在40°C時，較高的|?T|EAF織品顯示出更好的保溫性能（圖4B）。此外，還使用工業劍桿織機將EAF編織成40×25厘米的紡織品（圖4C），這反映了使用EAF制備可擴展隔熱紡織品的潛力，這一直是限制傳統氣凝膠纖維發展的主要障礙。隔熱織物的放大圖顯示了一個沒有缺陷的典型平織結構，表明EAF可以抵抗編織過程中的剪切和拉伸（圖4D）。由此產生的紡織品也足夠柔韌，可以折疊或彎曲成各種形狀，這對于舒適穿著也至關重要（圖?4E?）。此外，由于封裝層的存在，本文的紡織品也是可水洗的，使用商業化洗衣機洗滌后，沒有觀察到外觀有任何明顯變化（圖4H， I）

圖4.?具有優異保溫性和機械強度的氣凝膠紡織品

綜上所述，本文解決了易碎氣凝膠在保溫紡織品中實際應用的長期障礙。與在紡織品中摻雜或涂覆氣凝膠的傳統策略截然不同，作者通過開發一種具有層狀孔隙的相對堅固的聚合物氣凝膠纖維，使用仿生方法實現了氣凝膠纖維的熱性能和機械性能分別設計，用可拉伸的橡膠層將其封裝來實現這一目標。

在封裝層厚度僅為約80 μm的情況下，氣凝膠纖維的拉伸應變比傳統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10000次裝卸拉伸循環，具有極高的隔熱穩定性，表明其卓越的耐用性。由于封裝層的保護，EAF適用于織造和針織，這對于大規模準備至關重要。此外，紡織品還具有出色的柔韌性、耐洗性和染色性，這些對于紡織品的實際應用都至關重要。

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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