具有优异机械性能的仿生气凝胶纤维织物.docx

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1、具有优异机械性能的仿生气凝胶纤维织物目录?背景介绍12 .成果掠影13 .图文导读2背景介绍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隔热材料。自20 世纪30年代发明以来，气凝胶已广泛应用于绿色建筑、储能装置、催化剂载体、 环境处理等。但是，由于气凝胶的易碎性和加工性差，在纺织品的实际应用中 不可避免地会产生不可逆的结构损坏，从而导致隔热性能的丧失，因此气凝胶 在保温纺织品中的应用受到了很大的限制。虽然已经有一些尝试将气凝胶混合 到编织或非织造织物中，但由于高掺杂含量时加工性差或低掺杂含量时隔热效 率低，气凝胶在隔热纺织品中的应用仍然受到严重限制。虽然最近开发的气凝胶纤维中的一些已经

2、取得了更好的机械性能，但它们 在编织成纺织品时仍然具有不足的强度和柔韧性。止匕外，这些气凝胶纤维不能 机洗，在水下或潮湿的环境中很容易失去隔热能力。因此，设计和制造具有优 异保温性能和多功能的针织和编织气凝胶纤维仍然是一个挑战。许多动物进化出了特殊的皮毛，以便在极端寒冷的环境中生存。作为一个 典型的例子，北极熊的毛发呈现出独特的核壳结构。高孔隙率可以有效地截留 空气，提供了优异的保温性能，致密的外壳提供了有效的机械保护（抗拉强度和 应变分别约为300 MPa和35%）。因此，人们长期以来一直对北极熊的毛发在 北极隔热的能力着迷。模仿北极熊毛发微观结构的策略开发了一种可行的方法 来开发坚固的隔热

3、材料。2 .成果掠影近期，浙江大学柏浩教授、高微微副教授团队针对开发具有优异保温性能 的可穿戴气凝胶纤维织物取得最新进展。该文通过在气凝胶纤维中包裹一层可 拉伸层来克服这些问题，模仿北极熊毛发的核壳结构。尽管其内部孔隙率超过90%,但纤维的可拉伸应变提图至1000%,与传统的气凝胶纤维（2%的应变） 相比，有了很大的提高。除了可洗涤和可染色外，该纤维的机械性能保持优良, 在10,000次拉伸循环（100%应变）后仍保持其稳定的隔热性能。用该纤维编织的 毛衣厚度只有羽绒服的五分之一，但性能优异。该结果对这种纤维的策略为开 发多功能气凝胶纤维和纺织品提供了丰富的可能性。研究成果以“Biomimet

4、ic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile 为题发表于Scienceo3 .图文导读C Convection I Conduction Radiationt Au llll nCore-shell structureFreeze-spinningEncapsulating图1气凝胶纤维的设计与制备。北极熊的毛发具有多孔和致密的核壳结构，以防止热量损失（图1A）。这为 该材料的设计和合成纤维的制备提供了灵感。北极熊的毛发上有很多几十微米 大小的毛孔，可以捕获大量的静止空气，有效地抑制热传导和对流。排列的多 孔壁大大减少了导

5、热路径的数量，并提供了强红外（IR）反射率的多重反射效应,这两者都有利于有效的隔热。致密的外壳保护多孔芯，使头发防水，对潮湿空 气不敏感，这是典型气凝胶材料失去隔热性能的主要原因。该团队设计了一种具有类似隔热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ICjo首先，通过冷冻纺丝获得气 凝胶纤维。通过使用分散良好的聚合物溶液来进行冷冻纺丝，通过冷区挤压产 生连续稳定的冰纤维，且使用电机收集。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孔隙结构。随后，将收集到的冷冻纤维进行冷冻干燥， 以保留纤维内部的层状多孔结构。最后用TPU溶液涂覆气凝胶纤维，用

6、涂覆干 燥设备进行干燥，得到具有仿生核壳结构的包覆气凝胶纤维。14121086420图2 EFAs的微观结构及其热性能和机械性能表征。 = -500 m500 gE (BdIAI) =SU81封装层对纤维性能有相反的影响。较厚的包裹层提供了强度更高的纤维, 但降低了它们的隔热效率。因此，优化了封装层的厚度，以确保封装气凝胶纤 维（EAF）既具有优异的隔热性能，又具有良好的机械强度。StretchDColored EAFA Encapsulated aerogel fiberCyclesEFIlnswollen SWOMeC5 mmChinese KnotSoakin waterUrxiamag

7、ed DamagedG1.6in air2 mm山Initial Soak Dry state in water in air1.41.21.0 0.80.60.4图3 EAF的隔热稳定性、防水性、柔韧性和染色性。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。致密完整的封装层使EAF在拉伸至1000%应变后可以完全恢复, 且长度没有变化(图3、A、Bo在日常佩戴中，纤维会受到循环拉伸和径向压 缩，这是常规气凝胶纤维材料难以达到的要求。通过测量纤维表面和热台(40)之间的平衡温差来研究循环拉伸后EAF的 隔热性能(图3Co EAF的隔热性能非常稳定，即使在100%

8、应变下进行10,000 次拉伸循环后，温度变化也稳定在2.7C左右，这表明即使在日常磨损下，该性 能也能保持不变。我们将这种稳定的隔热性能归功于坚固的封装层，它确保了 纤维的完整性。A NylonPETWlEAF口口口Stage 40 1 cm30 ENylon PET WOol EAF864205 mm狎蛭典Mrj.EAF ,、JWeaved structure y 1岫40 20 H EAF sweater Down jacket Wool sweater Cotton sweater I EAF after washing-hWoor rrrriff WK图4机织和针织气凝胶纺织品具有出

9、色的隔热能力在其优异的柔韧性和强度的基础上，进一步将EAFs编织成气凝胶纺织品。 将EAFS织物与相似厚度的尼龙、聚酯（PET、聚对苯二甲酸乙二醇酯）和羊毛织 物放在相同的加热台上进行比较（图4A和表S1）。因此，我们在阶段温度稳定 在40时拍摄了一系列红外图像。EAF纺织品的隔热性能优异（图4B）o EAF纺 织品的导热系数（26.9L8 mW/m K）远低于尼龙（9L2L6 mW/m K）、 PET（98.3L9mWm K）和羊毛（38.9LlmWm K）（表 S1。此外，进一步 使用工业剑杆织机将EAFS编织成40 X 25厘米的纺织品（图4C）。这反映了用 我们的EAFs生产可伸缩隔热

10、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。放大后的保温织物（图4D）显示了典型的无缺陷的平纹编织结构， 表明我们的EAFs可以抵抗编织过程中的剪切和拉伸。由此产生的纺织品也足够 灵活，可以折叠或弯曲成各种形状（图4E和图S7）,这对于舒适穿着也是至关 重要的。表1不同材料的厚度和导热系数。MaterialThickness (mm)/surface () (mWmK)Measured by steady-state deviceNylon1.3 0.337.1 0.791.2 1.6PET1.2 + 0.137.6 0.798.3 + 1.9Wool2.2 + 0.235.2 0.838.9 1.1EAF1.1 0.133.7 0.926.9 1.8