人類是吸熱恒溫動(dòng)物,，要維持體內(nèi)溫度才能維持生命。然而,，在惡劣環(huán)境中,，如嚴(yán)寒的冬天，人類的生理適應(yīng)能力是非常有限的,。從古代的動(dòng)物皮毛到現(xiàn)代的合成保溫材料,，科技進(jìn)步為人類提供了在惡劣環(huán)境中生存的可能性。氣凝膠因其極低的密度和特別的孔隙結(jié)構(gòu),，在隔熱材料領(lǐng)域收到廣泛關(guān)注,。但由于傳統(tǒng)氣凝膠的機(jī)械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，限制了實(shí)際的應(yīng)用范圍,。朱美芳院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的氣凝膠具有大而均勻的長度與直徑,，作為構(gòu)建塊,，通過冷凍成型技術(shù)將其組裝成具有波紋片層結(jié)構(gòu)的氣凝膠氈,。這些氣凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可以滿足織物的彈性和舒適性需求,，還具有自清潔,、防水、透氣和阻燃的特性,，適用于惡劣環(huán)境中的應(yīng)用要求,。
圖1. PPS（聚苯硫醚）超細(xì)纖維的制備流程
采用海島型熔紡技術(shù)（如圖1），利用CoPET和PPS分別作為“海"和“島"的組成部分進(jìn)行雙組份熔融紡絲,，通過多個(gè)步驟逐步縮小纖維直徑,，得到高長徑比的連續(xù)超細(xì)纖維。這些纖維具有極細(xì)的直徑（約1微米）,。隨著拉伸比的增加,，纖維的分子鏈取向逐步有序化，并形成高結(jié)晶度的結(jié)構(gòu),。這種高結(jié)晶度在纖維的力學(xué)強(qiáng)度上發(fā)揮了重要作用,，使得最終材料具備優(yōu)異的機(jī)械性能。
圖2. LFFAs的基本結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械柔韌性
LFFA具有極低的密度,，僅有6.4mg cm3,，展示了其輕質(zhì)特性，例如可以輕松懸停在花朵上（如圖2）,。通過冷凍成型,，可以制得不同的幾何形狀的LFFA,，如塊狀和纖維狀，且LFFAs的具有很高的柔性,，例如可被捏合,、打結(jié)且無損壞。這些特性主要得益于材料內(nèi)部的三維纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，該結(jié)構(gòu)在提供穩(wěn)定支撐的同時(shí)又具備柔韌性,。在SEM圖中可以看到LFFAs的層狀和開放式孔隙網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)為LFFAs提供了良好的透氣性和隔熱性能,，同時(shí)增強(qiáng)了材料的可加工性,。
圖3. LFFAS的彈性機(jī)械性能
通過一系列力學(xué)測(cè)試（如圖3）表明LFFAs在拉伸和壓縮下的出色彈性和耐久性。例如LFFAS可以在25%的拉伸下保持彈性恢復(fù)性,，表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能,。在壓縮應(yīng)變測(cè)試中，可以承受高達(dá)95%的壓縮應(yīng)變并恢復(fù)到原始形狀,，具有很高的恢復(fù)性,。LFFAS在經(jīng)過10000次壓縮循環(huán)后仍能保持良好的疲勞耐久性，這表明LFFAs在多次使用或長時(shí)間負(fù)荷下具有穩(wěn)定性,。這些氣凝膠的優(yōu)異機(jī)械性能,，可以滿足織物的彈性和舒適性需求，包括很強(qiáng)的柔韌性,。
圖4. 多功能隔熱氣凝膠的特性
通過接觸角測(cè)試展示了材料的超疏水特性（接觸角達(dá)到154°）,，并且能夠自清潔，在水流下輕松去除表面灰塵和污漬,。具有優(yōu)異的透氣性,，可有效防止液態(tài)水滲透，同時(shí)允許水蒸氣逸出,，適合于濕度較高的環(huán)境,。在阻燃性能測(cè)試中，材料達(dá)到V0級(jí)阻燃等級(jí),，展示了在火焰接觸下的自熄性和高熱穩(wěn)定性,，能夠在緊急情況下提供額外的防護(hù)。所得的氣凝膠毛氈服裝表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能,，接近于干燥空氣的隔熱性能,，其厚度僅為具有類似隔熱性能的羽絨服的三分之一。（如圖4）
綜上,，這項(xiàng)研究成功地解決了氣凝膠在實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)械脆弱性和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性問題,。通過海島熔融紡絲技術(shù)制備的超細(xì)纖維，構(gòu)建了一種新型的氣凝膠結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)不僅具有出色的機(jī)械性能,，還具備了舒適性,、自清潔性、防水性,、透氣性和阻燃性,。這些特性使得氣凝膠服裝在惡劣環(huán)境下的保溫領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，如日常保暖,、戶外運(yùn)動(dòng)和緊急救援特殊服裝等,。此外，由于熔融紡絲技術(shù)的成熟和先進(jìn)性,，這種氣凝膠的大規(guī)模制備成為可能,，為未來隔熱材料的發(fā)展開辟了新的道路。
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來源：微信公眾號(hào)-颯卓科紡
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