近日，我校新型纤维与非织造材料创新团队在高性能隔热纺织品领域取得重要进展。研究成果以《Bio-inspired cellular aerogel fibers integrating high mechanical strength and softness for thermal insulation textiles》为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。天津工业大学为论文第一完成单位和第一通讯单位，我校纺织科学与工程学院博士生胡颖荷为第一作者；我校庄旭品教授、瑞士洛桑联邦理工学院马友伟博士为共同通讯作者。
保暖隔热一直以来都是人类生活至关重要的需求，从动物皮毛、羊毛到合成泡沫，再到真空绝热板和气凝胶，隔热材料不断发展。其中，气凝胶因其超低密度和高孔隙率而具有极低的热导率，成为隔热领域的佼佼者。然而，这些多孔结构却严重损害了气凝胶的机械强力，使其实际应用带来了巨大挑战。尽管已有化学交联、表面涂层、与高强的材料共混等多种策略试图解决这一难题，但力学性能的提升往往以牺牲材料的柔性为代价，难以满足可穿戴领域对高柔性的性能需求。因此，如何实现强度、柔性与隔热性能的协同提升，是气凝胶迈向实际应用的关键所在。
图1.仿生蜂窝气凝胶纤维的设计与制备：
a，企鹅羽毛和仿生气凝胶纤维的分级结构的示意图
b，湿法纺丝制备仿生气凝胶纤维的工艺示意图
受企鹅羽毛的多级结构启发，研究团队通过对共价和非共价相互作用的精细调控，在湿法纺丝过程中将芳纶纳米纤维组装成具有分级结构的仿生气凝胶纤维（CAFs）。该过程首先通过交联去质子化的芳纶纳米纤维溶胶形成多孔结构，随后通过酸诱导凝胶化产生由氢键构成的致密外壳。外壳赋予纤维高达74.6MPa的抗拉强度，而蜂窝芯层通过大孔优先变形耗散应力，使弯曲应力和压缩应力分别低至33.8kPa和39.8kPa，同时兼顾了高强度与高柔性。此外，该纤维还具备可染色性、疏水性、阻燃性、耐化学腐蚀及优异的耐湿性，并可通过织机织造成大面积气凝胶织物。仅0.9mm厚的气凝胶毛衣在隔热性能上可与15mm厚的羽绒服相媲美，其热导率低至28.4mW·m−1·K−1，且在−20°C环境下展现出卓越的隔热能力。
图2. 仿生气凝胶纤维及其织物性能：
a，CAFs的横截面SEM图像以及（b, c）不同放大倍数下的芯层局部放大图像
d，染色后的气凝胶纤维（e）织机上制备的织物和（f）可扭转的织物展示图片
g，轴向拉伸应力-应变曲线对比 h，弯曲应力-应变曲线对比
i，压缩应力-应变曲线对比，最大压缩应变从2.5%逐步增加至50%
j，志愿者穿着商用针织毛衣、羽绒服和由CAF-10%DBH织物定制的服装的照片
k，在零下20 °C下测得的相应红外图像
该研究首次在单一气凝胶材料中实现了高强度与高柔软性的协同，破解了材料“刚柔不兼”的困境。研究成果为高性能保暖纺织品的设计提供了全新路径，该蜂窝结构及分子自组装策略有望推广至弹性体、泡沫、金属等其他材料体系，为克服强度与柔软性之间的普遍权衡问题提供了新思路。
上述工作得到了国家自然科学基金面上项目、天津市科技计划项目、天津市研究生科研创新项目等的资助和支持。
（审稿：纺织科学与工程学院 刘雍 编辑：党委宣传部 李焕峰）
图片来源：纺织科学与工程学院