人類是吸熱恒溫動物，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。從古代的動物皮毛到現(xiàn)代的合成保溫材料，科技進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)氣凝膠的機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，限制了實際的應(yīng)用范圍。朱美芳院士團隊開發(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"的組成部分進行雙組份熔融紡絲，通過多個步驟逐步縮小纖維直徑，得到高長徑比的連續(xù)超細纖維。這些纖維具有極細的直徑（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)強度上發(fā)揮了重要作用，使得最終材料具備優(yōu)異的機械性能。
圖2. LFFAs的基本結(jié)構(gòu)特征和機械柔韌性
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，同時增強了材料的可加工性。
圖3. LFFAS的彈性機械性能
通過一系列力學(xué)測試（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)變測試中，可以承受高達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在多次使用或長時間負荷下具有穩(wěn)定性。這些氣凝膠的優(yōu)異機械性能，可以滿足織物的彈性和舒適性需求，包括很強的柔韌性。
圖4. 多功能隔熱氣凝膠的特性
通過接觸角測試展示了材料的超疏水特性（接觸角達到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，同時允許水蒸氣逸出，適合于濕度較高的環(huán)境。在阻燃性能測試中，材料達到V0級阻燃等級，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。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，這項研究成功地解決了氣凝膠在實際應(yīng)用中的機械脆弱性和結(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、戶外運動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-颯卓科紡
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