气凝胶因其极低的密度和独特的孔隙结构，在隔热材料领域备受关注。然而，传统的气凝胶由于机械脆弱性和结构不稳定性，限制了其在实际应用中的广泛使用。尤其是在极端环境下，如严寒的冬季，人类需要依赖科技发明来维持生命所需的体温。从古代的动物皮毛到现代的合成保温材料，科技进步为人类提供了在恶劣环境中生存的可能性。在这样的背景下，开发新型的隔热材料，尤其是能够适应极端环境的气凝胶材料，成为了材料科学领域的一个重要研究方向。
在此，东华大学朱美芳院士、成艳华研究员、胡泽旭博士团队在这项研究中，通过工业规模的海岛熔融纺丝技术，成功制备了连续的超细纤维，这些纤维被用作构建块，通过冷冻成型技术组装成具有波纹层状结构的气凝胶毛毡。这些气凝胶不仅具有出色的机械性能，满足了织物的弹性和舒适性需求，还具备自清洁、防水、透气和阻燃的特性，适合在极端环境下使用。此外，这些气凝胶毛毡服装展现出了接近干空气的隔热性能，且厚度仅为类似保温性能的羽绒服装的三分之一。这项研究为开发多功能隔热气凝胶服装提供了可扩展的潜力。
2024年10月30日，该工作以“Industrial Scale Sea-Island Melt-Spun Continuous Ultrafine Fibers for Highly Comfortable Insulated Aerogel Felt Clothing”为题发表在Advanced Materials 上。第一作者为东华大学材料学院博士生余严、徐成建，东华大学东华大学机械工程学院胡泽旭博士、东华大学材料科学与工程学院成艳华研究员和朱美芳院士为共同通讯作者。
图1. PPS（聚苯硫醚）超细纤维的制备过程
采用海岛型熔纺技术，通过多个步骤逐步缩小纤维直径，得到高长径比的连续超细纤维。这些纤维具有极细的直径（约1微米），通过SEM图显示了熔纺和分离后的纤维形态。晶体结构的演变揭示了拉伸过程对PPS纤维晶体结构的影响。随着拉伸比的增加，纤维的分子链逐步有序化，并形成高结晶度的结构。这种高结晶度在纤维的力学强度上发挥了重要作用，使得最终材料具备优异的机械性能。
图2. LFFAs的基本结构特征和机械柔韧性
长纤维基气凝胶LFFA具有极低的密度，展示了其轻质特性，例如可以轻松悬停在花朵上。进一步的实验展示了LFFAs的柔性，例如可被捏合、打结且无损坏。这些特性主要得益于材料内部的三维纤维网络结构，该结构在提供稳定支撑的同时又具备柔韧性。在SEM图中可以看到LFFAs的层状和开放式孔隙网络，这种结构为LFFAs提供了良好的透气性和隔热性能，同时增强了材料的可加工性。
图3. LFFAs的弹性机械性能
通过一系列力学测试展示了LFFAs在拉伸和压缩下的出色弹性和耐久性。例如在拉伸应力-应变曲线中，材料可以在25%的拉伸下保持弹性恢复性，表现出优异的拉伸性能。在压缩应变测试中，材料可以承受高达95%的压缩应变并恢复到原始形状，显示出极高的恢复性。材料在经过10000次压缩循环后仍能保持良好的疲劳耐久性，这表明LFFAs在多次使用或长时间负荷下具有稳定性。最后，分子动力学模拟和SEM图表明LFFAs在不同应力下的微观结构变化情况，使其具备四向伸展性和高耐用性。
图4. 展示了多功能隔热气凝胶的特性
通过接触角测试，图4a至4c展示了材料的超疏水特性（接触角达到154°），并且能够自清洁，在水流下轻松去除表面灰尘和污渍。图4e和4f则通过透气性测试展示了材料的呼吸功能，可有效防止液态水渗透，同时允许水蒸气逸出，适合于湿度较高的环境。在阻燃性能测试中，材料达到V0级阻燃等级，展示了在火焰接触下的自熄性和高热稳定性，能够在紧急情况下提供额外的防护。图4j使用红外热成像对比显示，LFFA服装在热隔离性能上可与厚度为其三倍的羽绒服相当，从而验证了其在实际保温中的应用潜力。
综上，这项研究成功地解决了气凝胶在实际应用中的机械脆弱性和结构不稳定性问题。通过海岛熔融纺丝技术制备的超细纤维，构建了一种新型的气凝胶结构，这种结构不仅具有出色的机械性能，还具备了舒适性、自清洁性、防水性、透气性和阻燃性。这些特性使得气凝胶服装在极端环境下具有广泛的应用潜力，如日常保暖、户外运动和紧急救援特殊服装等。此外，由于熔融纺丝技术的成熟和先进性，这种气凝胶的大规模制备成为可能，为未来隔热材料的发展开辟了新的道路。
▓ 来源：化学与材料科学
▓ 责编：小棉袄
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