具有優(yōu)異機械性能的仿生氣凝膠纖維織物

熱設(shè)計 2023-12-25

來源：Science

原文：https://doi.org/10.1126/science.adj8013

01 背景介紹

氣凝膠因其高孔隙率和極低的導(dǎo)熱系數(shù)而被公認為最佳的隔熱材料。自20世紀30年代發(fā)明以來，氣凝膠已廣泛應(yīng)用于綠色建筑、儲能裝置、催化劑載體、環(huán)境處理等。但是，由于氣凝膠的易碎性和加工性差，在紡織品的實際應(yīng)用中不可避免地會產(chǎn)生不可逆的結(jié)構(gòu)損壞，從而導(dǎo)致隔熱性能的喪失，因此氣凝膠在保溫紡織品中的應(yīng)用受到了很大的限制。雖然已經(jīng)有一些嘗試將氣凝膠混合到編織或非織造織物中，但由于高摻雜含量時加工性差或低摻雜含量時隔熱效率低，氣凝膠在隔熱紡織品中的應(yīng)用仍然受到嚴重限制。

雖然最近開發(fā)的氣凝膠纖維中的一些已經(jīng)取得了更好的機械性能，但它們在編織成紡織品時仍然具有不足的強度和柔韌性。此外，這些氣凝膠纖維不能機洗，在水下或潮濕的環(huán)境中很容易失去隔熱能力。因此，設(shè)計和制造具有優(yōu)異保溫性能和多功能的針織和編織氣凝膠纖維仍然是一個挑戰(zhàn)。

許多動物進化出了特殊的皮毛，以便在極端寒冷的環(huán)境中生存。作為一個典型的例子，北極熊的毛發(fā)呈現(xiàn)出獨特的核殼結(jié)構(gòu)。高孔隙率可以有效地截留空氣，提供了優(yōu)異的保溫性能，致密的外殼提供了有效的機械保護(抗拉強度和應(yīng)變分別約為300 MPa和35%)。因此，人們長期以來一直對北極熊的毛發(fā)在北極隔熱的能力著迷。模仿北極熊毛發(fā)微觀結(jié)構(gòu)的策略開發(fā)了一種可行的方法來開發(fā)堅固的隔熱材料。

02 成果掠影

近期，浙江大學柏浩教授、高微微副教授團隊針對開發(fā)具有優(yōu)異保溫性能的可穿戴氣凝膠纖維織物取得最新進展。該文通過在氣凝膠纖維中包裹一層可拉伸層來克服這些問題，模仿北極熊毛發(fā)的核殼結(jié)構(gòu)。盡管其內(nèi)部孔隙率超過90%，但纖維的可拉伸應(yīng)變提高至1000%，與傳統(tǒng)的氣凝膠纖維(~2%的應(yīng)變)相比，有了很大的提高。除了可洗滌和可染色外，該纖維的機械性能保持優(yōu)良，在10,000次拉伸循環(huán)(100%應(yīng)變)后仍保持其穩(wěn)定的隔熱性能。用該纖維編織的毛衣厚度只有羽絨服的五分之一，但性能優(yōu)異。該結(jié)果對這種纖維的策略為開發(fā)多功能氣凝膠纖維和紡織品提供了豐富的可能性。研究成果以“Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile”為題發(fā)表于《Science》。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1.氣凝膠纖維的設(shè)計與制備。

北極熊的毛發(fā)具有多孔和致密的核殼結(jié)構(gòu)，以防止熱量損失(圖1A)。這為該材料的設(shè)計和合成纖維的制備提供了靈感。北極熊的毛發(fā)上有很多幾十微米大小的毛孔，可以捕獲大量的靜止空氣，有效地抑制熱傳導(dǎo)和對流。排列的多孔壁大大減少了導(dǎo)熱路徑的數(shù)量，并提供了強紅外(IR)反射率的多重反射效應(yīng)，這兩者都有利于有效的隔熱。致密的外殼保護多孔芯，使頭發(fā)防水，對潮濕空氣不敏感，這是典型氣凝膠材料失去隔熱性能的主要原因。

該團隊設(shè)計了一種具有類似隔熱機制的封裝氣凝膠纖維(圖1B)，并開發(fā)了一種簡單的兩步制造路線來模擬核-殼結(jié)構(gòu)(圖1C)。首先，通過冷凍紡絲獲得氣凝膠纖維。通過使用分散良好的聚合物溶液來進行冷凍紡絲，通過冷區(qū)擠壓產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的冰纖維，且使用電機收集。通過控制擠出速度和冷源溫度，可以調(diào)節(jié)氣凝膠纖維內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。隨后，將收集到的冷凍纖維進行冷凍干燥，以保留纖維內(nèi)部的層狀多孔結(jié)構(gòu)。最后用TPU溶液涂覆氣凝膠纖維，用涂覆干燥設(shè)備進行干燥，得到具有仿生核殼結(jié)構(gòu)的包覆氣凝膠纖維。

圖2. EFAs的微觀結(jié)構(gòu)及其熱性能和機械性能表征。

封裝層對纖維性能有相反的影響。較厚的包裹層提供了強度更高的纖維，但降低了它們的隔熱效率。因此，優(yōu)化了封裝層的厚度，以確保封裝氣凝膠纖維（EAF）既具有優(yōu)異的隔熱性能，又具有良好的機械強度。

圖3.EAF的隔熱穩(wěn)定性、防水性、柔韌性和染色性。

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(huán)拉伸下的保溫性能。致密完整的封裝層使EAF在拉伸至1000%應(yīng)變后可以完全恢復(fù)，且長度沒有變化(圖3、A、B)。在日常佩戴中，纖維會受到循環(huán)拉伸和徑向壓縮，這是常規(guī)氣凝膠纖維材料難以達到的要求。

通過測量纖維表面和熱臺(40°C)之間的平衡溫差來研究循環(huán)拉伸后EAF的隔熱性能(圖3C)。EAF的隔熱性能非常穩(wěn)定，即使在100%應(yīng)變下進行10,000次拉伸循環(huán)后，溫度變化也穩(wěn)定在2.7°C左右，這表明即使在日常磨損下，該性能也能保持不變。我們將這種穩(wěn)定的隔熱性能歸功于堅固的封裝層，它確保了纖維的完整性。

圖4.機織和針織氣凝膠紡織品具有出色的隔熱能力。

在其優(yōu)異的柔韌性和強度的基礎(chǔ)上，進一步將EAFs編織成氣凝膠紡織品。將EAFs織物與相似厚度的尼龍、聚酯(PET、聚對苯二甲酸乙二醇酯)和羊毛織物放在相同的加熱臺上進行比較(圖4A和表S1)。因此，我們在階段溫度穩(wěn)定在40°C時拍攝了一系列紅外圖像。EAF紡織品的隔熱性能優(yōu)異(圖4B)。EAF紡織品的導(dǎo)熱系數(shù)(26.9±1.8 mW/m·K)遠低于尼龍(91.2±1.6 mW/m·K)、PET(98.3±1.9 mW/m·K)和羊毛(38.9±1.1 mW/m·K)(表S1。此外，進一步使用工業(yè)劍桿織機將EAFs編織成40 × 25厘米的紡織品(圖4C)。這反映了用我們的EAFs生產(chǎn)可伸縮隔熱紡織品的潛力，這一直是限制傳統(tǒng)氣凝膠纖維發(fā)展的主要障礙。放大后的保溫織物(圖4D)顯示了典型的無缺陷的平紋編織結(jié)構(gòu)，表明我們的EAFs可以抵抗編織過程中的剪切和拉伸。由此產(chǎn)生的紡織品也足夠靈活，可以折疊或彎曲成各種形狀(圖4E和圖S7)，這對于舒適穿著也是至關(guān)重要的。

表1.不同材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)。