氣凝膠因其超低熱導(dǎo)率被譽(yù)為“21世紀(jì)神奇材料”，在隔熱領(lǐng)域極具潛力。然而，傳統(tǒng)氣凝膠固有的脆性、加工性差及機(jī)械強(qiáng)度不足等問題，使其難以承受紡織應(yīng)用中的彎曲、拉伸和洗滌，易發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌導(dǎo)致隔熱失效，F(xiàn)有氣凝膠纖維制備技術(shù)（如凍紡、濕紡）雖能實(shí)現(xiàn)纖維化，但仍面臨三大挑戰(zhàn)：（1）納米纖維基（尤其是高性能纖維）氣凝膠纖維犧牲了約95%的原纖維強(qiáng)度；（2）纖維紡絲與干燥分步進(jìn)行，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)；（3）功能性填料的加入會(huì)降低紡絲原液的可紡性，從而制約功能化改性。因此，開發(fā)兼具高機(jī)械韌性、可編織性及規(guī)模化制備潛力的氣凝膠纖維，是推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。
研究方案圖加捻氣凝膠紗線的織物結(jié)構(gòu)及隔熱機(jī)制示意圖
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，東華大學(xué)朱美芳院士、成艷華研究員創(chuàng)新性提出卷對(duì)卷連續(xù)加捻組裝策略（Roll-to-Roll Twisted Assembly）：該策略以二維納米纖維膜為結(jié)構(gòu)骨架，通過一步法噴涂-加捻工藝，成功將高含量（體積分?jǐn)?shù)78%）的商用介孔SiO?氣凝膠顆粒復(fù)合到紗線中，這一方法摒棄了傳統(tǒng)氣凝膠纖維制備必需的復(fù)雜溶劑交換與特殊干燥流程，實(shí)現(xiàn)了氣凝膠紗線的高效連續(xù)生產(chǎn)，也提高了紗線的隔熱性能；同時(shí)，經(jīng)加捻角優(yōu)化（35°）形成阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)，顯著提升了紗線的機(jī)械性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。兩者協(xié)同作用，有效突破了氣凝膠材料規(guī)；瘧(yīng)用的瓶頸。所制備的 NF-TAY 氣凝膠紗線呈現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)，其芯層由 SiO2 氣凝膠顆粒與 PAN 納米纖維加捻而成，外層為 PAN 納米纖維封裝層。該設(shè)計(jì)賦予NF-TAY優(yōu)異的力學(xué)和隔熱性能：其拉伸強(qiáng)度達(dá)16.3 MPa，可承受自重3.3×104倍的載荷；同時(shí)具有32.3 mW m-1 K-1的低熱導(dǎo)率，性能優(yōu)于商業(yè)羊絨和棉材料。此外，NF-TAY展現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性：在極端溫度（-196~100 °C）、反復(fù)折疊/壓縮以及100次水洗后，仍能保持良好的力學(xué)和隔熱性能。通過外層納米纖維功能化改性，NF-TAY還兼具疏水性（接觸角146°）、可染色性和焦耳加熱功能，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景和個(gè)性化需求。
2025年6月16日，相關(guān)研究以Roll-to-Roll Twisted Aerogel Yarns with Reinforced Structure and Low Thermal Conductivity發(fā)表于Advanced Materials上。文章第一作者是東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄭俊杰博士，理論計(jì)算也得到了江南大學(xué)魏寧教授團(tuán)隊(duì)的幫助。
圖1 氣凝膠紗線的制備流程及其微觀形貌表征
圖3 氣凝膠紗線的熱防護(hù)性能與服役穩(wěn)定性
圖4 氣凝膠紗線多功能應(yīng)用拓展
該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于柔性復(fù)合氣凝膠材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。針對(duì)氣凝膠材料普遍存在的機(jī)械性能弱、功能單一等問題，團(tuán)隊(duì)已發(fā)展了一系列制備策略，開發(fā)出系列適用于不同場(chǎng)景的功能性柔性復(fù)合氣凝膠材料。團(tuán)隊(duì)基于跨維度、跨尺度的結(jié)構(gòu)適配工作原理，制備得到了雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合氣凝膠（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806407），通過優(yōu)化工藝方法，常壓干燥獲得了仿貝殼納米復(fù)合氣凝膠（Adv. Mater. 2023, 35, 2300813）。此外，還開發(fā)了“潤(rùn)濕和礦化”的優(yōu)化界面工程，構(gòu)建了具有高機(jī)械壓縮率（≈99％）和超疏水性（≈168°）的復(fù)合氣凝膠（Adv. Funct. Mater. 2021, 2009349）；進(jìn)一步，通過工業(yè)化海島熔融紡絲技術(shù)，成功制備了連續(xù)的超細(xì)纖維，將其作為氣凝膠的基本構(gòu)筑單元，經(jīng)冷凍成型技術(shù)組裝，獲得具有波紋層狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠氈（Adv. Mater. 2024, 2414731）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)通過親疏水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)得到了高性能的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)復(fù)合氣凝膠（Nano-Micro Lett. 2023, 15, 64）；并利用工業(yè)廢熱（如光伏電池產(chǎn)生的余熱）作為熱源，設(shè)計(jì)了一種生物基吸濕性氣凝膠（Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 7489），驅(qū)動(dòng)大氣集水-蒸發(fā)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行（Adv. Funct. Mater. 2025, 2423063）。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202507289
