用于保暖织物的仿生可编织气凝胶纤维

　　

 

图 仿生封装气凝胶纤维与天然北极熊毛微结构，及仿生织物性能

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22075244、51722306）等资助下，浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授与高分子科学与工程学系高微微副教授团队受北极熊毛发中空多孔核壳结构启发，利用冷冻纺丝和纤维封装技术制备了仿生封装气凝胶纤维，解决了长期以来气凝胶纤维力学与隔热性能无法兼得的难题，这种材料在新一代保暖服装中展现了应用潜力。相关成果以“用于保暖织物的仿生可编织气凝胶纤维（Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermalinsulation textile）”为题，于2023年12月22日在《科学》（Science）杂志上发表。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013。

　　气凝胶自发明以来，因其高孔隙率和极低的热导率而被认为是最理想的保暖隔热材料。气凝胶纤维虽然具有高孔隙率和低热导率，但其脆弱的骨架和较差的加工性能，无法满足实际使用需求，极大限制了气凝胶纤维的实际应用。亿万年来，许多动物已经进化出特殊的毛发来适应极寒环境。北极熊的毛发具有独特的中空多孔核壳结构，实现了纤维结构与功能解耦。高孔隙率的多孔核层可有效地锁住空气，提供优异的保暖性能，而致密壳层则提供了有效的力学保护，从而达到保暖与力学性能的平衡。

　　上述研究团队利用冷冻纺丝技术协同纤维封装技术制备出了仿生封装气凝胶纤维（EAF，encapsulatedaerogelfiber）。该纤维的核层为高分子气凝胶，其内部分布着尺寸约为10-30微米的纤长小孔；同时，一层TPU（热塑性聚氨酯弹性体）外壳将内部的气凝胶包裹起来，从而兼具保暖与力学性能。出色的机械性能使得纤维能适合编织，在相同保暖效果下，EAF织物比羽绒大幅减薄，且可水洗和可染色。将EAF编织成“毛衣”，与棉毛衫、羊毛毛衣、羽绒服进行保暖性能对比发现，EAF“毛衣”的保暖效果明显优于棉毛衫和羊毛毛衣，在相同效果下，厚度相比羽绒大幅减薄。

　　该研究提出了多功能气凝胶纤维的设计新方法，通过功能与结构解耦的设计策略，使纤维不同结构发挥不同功能，进而将多功能耦合到一根纤维中。