人類是吸熱恒溫動物，要維持體內溫度才能維持生命。然而，在惡劣環境中，如嚴寒的冬天，人類的生理適應能力是非常有限的。從古代的動物皮毛到現代的合成保溫材料，科技進步為人類提供了在惡劣環境中生存的可能性。氣凝膠因其極低的密度和特別的孔隙結構，在隔熱材料領域收到廣泛關注。但由于傳統氣凝膠的機械結構不穩定性，限制了實際的應用范圍。朱美芳院士團隊開發的氣凝膠具有大而均勻的長度與直徑，作為構建塊，通過冷凍成型技術將其組裝成具有波紋片層結構的氣凝膠氈。這些氣凝膠具有優異的機械性能，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，適用于惡劣環境中的應用要求。
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（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，并形成高結晶度的結構。這種高結晶度在纖維的力學強度上發揮了重要作用，使得最終材料具備優異的機械性能。
圖2. LFFAs的基本結構特征和機械柔韌性
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、打結且無損壞。這些特性主要得益于材料內部的三維纖維網絡結構，該結構在提供穩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絡，這種結構為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性，表現出優異的拉伸性能。在壓縮應變測試中，可以承受高達95%的壓縮應變并恢復到原始形狀，具有很高的恢復性。LFFAS在經過10000次壓縮循環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定性。這些氣凝膠的優異機械性能，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。具有優異的透氣性，可有效防止液態水滲透，同時允許水蒸氣逸出，適合于濕度較高的環境。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出優異的隔熱性能，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用中的機械脆弱性和結構不穩定性問題。通過海島熔融紡絲技術制備的超細纖維，構建了一種新型的氣凝膠結構，這種結構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境下的保溫領域具有廣泛的應用潛力，如日常保暖、戶外運動和緊急救援特殊服裝等。此外，由于熔融紡絲技術的成熟和先進性，這種氣凝膠的大規模制備成為可能，為未來隔熱材料的發展開辟了新的道路。
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來源：微信公眾號-颯卓科紡
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