受北極熊毛皮啟發(fā),比傳統(tǒng)羽絨服更薄,但同等保暖的“黑科技毛衣”,今天登上了權(quán)威科學(xué)期刊 Science。
據(jù)介紹,“北極熊毛衣”由浙江大學(xué)柏浩教授團(tuán)隊(duì)模仿北極熊皮毛制成的封裝氣凝膠纖維(EAFs)編織而成,具有卓越的隔熱性、柔韌性、可洗性和染色性,且厚度僅為同等保暖度羽絨服的五分之一。
研究團(tuán)隊(duì)表示,這類紡織品在軍用制服和太空服等領(lǐng)域具有巨大潛力,且對(duì)于各種新興應(yīng)用,如可穿戴電子設(shè)備和個(gè)人熱管理,都是必要的。
相關(guān)研究論文以“Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile”為題,已發(fā)表到權(quán)威科學(xué)期刊 Science 上。
在一篇同期發(fā)表的評(píng)論文章中,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同、副研究員盛智芝寫道,“Wu 等人發(fā)現(xiàn)了一種可行的策略,即構(gòu)建具有出色隔熱性和機(jī)械韌性的仿生可編織氣凝膠纖維,這是一種能夠制成具有空氣透氣性的紡織面料,可能推動(dòng)先進(jìn)的保暖熱紡織品的發(fā)展?!?/p>
優(yōu)于羊毛、尼龍和滌綸紡織品
最近,在部分冬季服裝售賣的直播間里面會(huì)出現(xiàn)帶有黑科技色彩的詞語,一些品牌推出“氣凝膠抗寒服”,號(hào)稱其具有比羽絨服更加輕薄保暖的功效。氣凝膠真有這么好的保暖抗寒效果嗎?
日前,東華大學(xué)紡織學(xué)院研究員李召嶺在接受成都科協(xié)采訪時(shí)表示,“從原理上來講,氣凝膠用來保暖是可以實(shí)現(xiàn)的,而且未來發(fā)展前景較好。目前氣凝膠結(jié)構(gòu)材料本身的力學(xué)性能很差,極易破碎和粉化,缺乏柔韌性和懸垂性,不太適合直接用在日常紡織品和服裝上。“
在此次研究中,柏浩教授團(tuán)隊(duì)通過模仿北極熊毛發(fā)的核-殼結(jié)構(gòu),開發(fā)了一種高分子殼層封裝的 EAFs,克服了長(zhǎng)期以來困擾脆弱氣凝膠在強(qiáng)韌隔熱紡織品中實(shí)際應(yīng)用的障礙。
研究采用了一種簡(jiǎn)便的兩步法連續(xù)制備 EAFs,通過冷凍旋轉(zhuǎn)獲得排列有序的多孔氣凝膠纖維,隨后進(jìn)行一步涂覆干燥。由于熱塑性聚氨酯(TPU)****具有高機(jī)械強(qiáng)度和可拉伸性(1000% 拉伸應(yīng)變),故研究人員選擇將其作為封裝層。
圖|封裝氣凝膠纖維的設(shè)計(jì)與制備(來源:該論文)
EAFs 可以在豐富的氣穴中捕獲空氣(超過 90% 孔隙率),提供足夠的隔熱性能。由 EAFs 制成的毛衣的熱導(dǎo)率為 26.9±1.8 mW/(m·K),優(yōu)于羊毛、尼龍和滌綸紡織品,該毛衣僅為羽絨服裝的五分之一厚,但隔熱性能卻相當(dāng),并且具有出色的可洗性和可染性。
圖|具有優(yōu)異保溫性能的機(jī)織、針織氣凝膠紡織品(來源:該論文)
然而,盛智芝表示,要想將氣凝膠纖維應(yīng)用在實(shí)際生活中,我們依然面臨著一些挑戰(zhàn)。
例如,如何發(fā)展快速紡絲技術(shù)?目前,氣凝膠纖維的濕法紡絲速率約為 20 米/分鐘,與工業(yè)級(jí)傳統(tǒng)纖維的濕紡(200 米/分鐘)、干紡(1500 米/分鐘)和熔融紡(5000 米/分鐘)相比還存在差距。
另外,如何解決紡絲和干燥一體化的全連續(xù)制備技術(shù)?連續(xù)紡絲和間歇式干燥雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn),但將這兩個(gè)過程有機(jī)結(jié)合的全連續(xù)化制備技術(shù)依然難以成為現(xiàn)實(shí)。要實(shí)現(xiàn)氣凝膠纖維的全過程連續(xù)化制備技術(shù),有必要深入理解快速減壓干燥脫溶劑的原理,并解決連續(xù)化裝備的開發(fā)。
然而,隨著先進(jìn)材料的開發(fā)和先進(jìn)制備技術(shù)的形成,氣凝膠纖維的應(yīng)用未來可期。
隔熱材料,未來可期
氣凝膠纖維是下一代隔熱紡織品的有望材料,在過往的研究取得了巨大的進(jìn)展。與此同時(shí),除了氣凝膠纖維外,最近幾年在隔熱材料方面的研究也不斷取得突破。
今年 2 月,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究小組成功研發(fā)出一種全天然仿木氣凝膠。該材料采用天然生物質(zhì)和天然礦物為原料,具備出色的隔熱和耐火性能。據(jù)介紹,這種全天然仿木氣凝膠有望成為商業(yè)隔熱材料的理想替代品。此外,其天然原料來源和低能耗低排放的制備工藝使得這種氣凝膠表現(xiàn)出良好的生物降解性和可持續(xù)性,有望減輕隔熱材料在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。
另外,今年 8 月,華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)了熱隱身超材料,該材料具備多種自由形狀、背景溫度獨(dú)立,且具有全方向功能。這些超材料能夠有效屏蔽外部溫度場(chǎng)對(duì)器件內(nèi)部物體的干擾,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隔熱,可廣泛應(yīng)用于熱敏元器件的熱防護(hù)。
綜合來看,近年來隔熱材料領(lǐng)域的研究不斷涌現(xiàn)出引人矚目的創(chuàng)新成果。從氣凝膠纖維到全天然仿木氣凝膠,再到熱隱身超材料,科學(xué)家們正在不斷拓展材料的應(yīng)用范圍和性能。這一系列的突破不僅為人們提供更為舒適、安全的生活體驗(yàn),同時(shí)也在可持續(xù)性發(fā)展的路上邁出了重要的一步。
隨著科技的不斷進(jìn)步,人們對(duì)隔熱材料的需求也將日益增長(zhǎng)。新材料的問世不僅提高了隔熱效果,還注重環(huán)保和可持續(xù)性,為未來的綠色科技發(fā)展提供了可行的路徑。
我們期待,這些創(chuàng)新材料在更廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用,為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和人們的生活品質(zhì)帶來更多積極影響。
參考鏈接:
www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013
www.science.org/doi/10.1126/science.adm8388
https://www.nature.com/articles/d41586-023-04145-5
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202211099
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202302387