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1研究背景
随着全球能源危机的加剧，个人热管理技术在减少室内温度调节所需的能源需求方面变得越来越重要。传统的被动加热材料在厚度和保温能力之间难以平衡，导致舒适性、空间效率和热调节性能受到限制。为了解决这些问题，科学家们一直在探索新型的热管理材料。近年来，气凝胶因其高孔隙率和纳米级孔径而备受关注，其热导率甚至低于静止空气，被认为是理想的保温材料。然而，气凝胶的脆性和吸湿性限制了其在可穿戴技术中的应用。为了克服这些挑战，研究人员开发了由微/纳米纤维组成的气凝胶材料，这些材料在保持传统纤维的柔韧性的同时，展现出类似气凝胶的多孔结构。
2成果简介
在这项研究中，研究人员开发了一种超薄的气凝胶结构微/纳米纤维元织物，通过双空气凝胶技术直接合成。这种元织物具有3D双网络结构，能够在电纺丝过程中控制聚合物、溶剂和水之间的相互作用，实现带电喷射流的微观相分离。通过调整带电流体中碳黑纳米粒子的分布，形成了由交织的气凝胶微/纳米纤维组成的纤维网络，这些纤维网络具有热存储能力。该元织物的厚度仅为0.18毫米，展现出卓越的热绝缘性能（15.8 mW m^-1K^-1），超疏水性，增强的机械性能和高透气性，同时保持自可持续辐射加热能力（持久保暖8.8°C）。这种策略不仅显著提高了服装在寒冷环境中的舒适性，还减少了能源消耗，有助于应对能源危机。研究人员还发现，通过模仿向日葵的生长特性，可以在透明PMMA纤维中引入种子状和尺寸匹配的碳黑纳米粒子，通过湿度诱导的异质电纺丝技术，直接构建元织物。这种独特的孔隙效应和碳黑纳米粒子的多次散射促进了气凝胶纤维中热能的存储，实现了多孔区域中心的纳米级安德森局域化。因此，所获得的元织物展示了出色的被动热存储性能，约65%的辐射能被保留，同时保持了超低的热导率。3图文导读
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图1 展示了元织物的制造和结构特征。a部分描述了元织物的制造过程和自可持续辐射加热的结构特征。b-c部分展示了元织物在不同放大倍数下的微观结构。d部分的透射电子显微镜（TEM）图像揭示了PMMA/碳黑气凝胶纤维的纳米孔隙和碳黑纳米粒子的分布。e部分的扫描电子显微镜（SEM）-能量色散X射线光谱（EDS）图像显示了元织物中元素的分布。f部分计算了PMMA气凝胶纤维膜和元织物的吸收（A）和透射（T）效率。g-h部分展示了元织物的热绝缘性能和被动辐射加热能力。i部分是大面积元织物的照片。![]()
图2 展示了元织物的制造和表征。a部分说明了PMMA气凝胶纤维的直接合成过程。b部分展示了不同水基氟聚合物（WF）含量下PMMA纤维的代表性场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像。c部分展示了不同WF含量下溶液的性质。d部分展示了PMMA/DMAc/H2O系统和PMMA/DMAc/WF/H2O系统在三元相图中的云点曲线。e部分展示了不同WF浓度下PMMA纤维膜的氮气物理吸附等温线和孔径分布。f部分展示了不同碳黑（CB）含量下PMMA混合物的粘度和表面张力的影响。g部分提出了溶液中CB的分散机制和纺丝过程的示意图。h部分展示了不同CB含量下PMMA气凝胶纤维的代表性FE-SEM图像。i部分展示了不同结构的PMMA纤维膜的孔径分布![]()
图3 展示了元织物的机械性能和舒适性能。a部分展示了PMMA纤维膜和元织物的拉伸应力-应变曲线。b部分展示了在50%弯曲应变下进行1000次循环的动态弯曲疲劳测试。c部分说明了通过纳米粒子增强气凝胶纤维的机械性能的示意图。d部分展示了元织物在100次洗涤循环中剩余的压缩应力和塑料变形。e部分展示了0、25、50、75和100次洗涤循环后元织物的重量损失。f部分展示了不同加热材料的水蒸气透过率和透气性。g部分展示了元织物的防水和透气性能。![]()
图4 展示了元织物的热分析，以确定其加热性能。a-b部分比较了不同热管理材料和元织物在无光条件下的热绝缘性能和厚度。c部分展示了不同照明条件下的热阻。d部分展示了用于表征辐射加热性能的热测量系统的照片。e部分展示了不同织物样品下皮肤模拟器的温度差异。f部分比较了元织物和传统加热织物的太阳能吸收。g部分展示了不同加热材料的远红外辐射率和温度升高。h部分展示了覆盖不同材料前后的热板的光学和红外图像。
4小结
这项研究通过双空气凝胶技术成功开发了一种超薄的气凝胶结构微/纳米纤维元织物，具有优异的热绝缘性能和自可持续辐射加热能力。这种元织物不仅在厚度和热管理性能上优于现有材料，还具有超疏水性、增强的机械性能和高透气性。研究人员通过模仿向日葵的生长特性，创新性地在透明PMMA纤维中引入碳黑纳米粒子，实现了热能的有效存储和利用。这一成果不仅为智能纺织品和个人热管理领域提供了新的解决方案，也为应对全球能源危机提供了新的思路。
文献：
Tian, Y., Chen, Y., Wang, S. et al. Ultrathin aerogel-structured micro/nanofiber metafabric via dual air-gelation synthesis for self-sustainable heating. Nat Commun 15, 6416 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50654-w
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