近日，江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院/針織技術(shù)教育部工程研究中心馬丕波教授與北京大學(xué)張錦院士團(tuán)隊(duì)邵元龍研究員、蘇州大學(xué)程濤教授等團(tuán)隊(duì)合作，在高性能氣凝膠纖維領(lǐng)域取得重要突破，于國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Knittable, thermally insulating, and sustainable aerogel fibers enabled by ion-mediated hierarchical assembly”的研究論文。北京大學(xué)肖剛博士、江南大學(xué)針織中心2023級(jí)博士研究生馬曉濤與蘇州大學(xué)博士研究生麻冰云為論文共同第一作者；江南大學(xué)馬丕波教授、北京大學(xué)張錦院士/邵元龍?zhí)仄秆芯繂T與蘇州大學(xué)程濤教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助支持。
論文全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69790-6
1.文字概述
在極端天氣頻發(fā)與“雙碳”戰(zhàn)略推動(dòng)綠色低碳生活的雙重背景下，高性能隔熱纖維材料的重要性日益凸顯。氣凝膠纖維因其超低導(dǎo)熱系數(shù)，被譽(yù)為“超級(jí)隔熱材料”，將其制成服裝制品無疑是提升保暖性能的理想路徑。而針織作為保暖服裝的主流織造方式，其優(yōu)勢(shì)早已被廣泛認(rèn)知：針織結(jié)構(gòu)能有效“鎖住”靜止空氣，蓬松度越高、厚度越大，隔熱效果越顯著。然而，將氣凝膠纖維與針織工藝相結(jié)合卻面臨一道難以逾越的屏障——追求隔熱所必需的高孔隙率，往往以犧牲機(jī)械強(qiáng)度為代價(jià)，導(dǎo)致纖維難以承受工業(yè)化針織加工的嚴(yán)苛考驗(yàn)：當(dāng)紗線被織針快速?gòu)澇删€圈時(shí)，極易發(fā)生斷裂。盡管研究人員通過強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)使纖維強(qiáng)度滿足了手工編織的要求，但仍不足以應(yīng)對(duì)現(xiàn)代針織工程的復(fù)雜工況。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本研究提出了一種針對(duì)氣凝膠纖維的離子介導(dǎo)庫(kù)侖衰減組裝策略。研究團(tuán)隊(duì)以可回收的雜環(huán)芳綸纖維為原料，在KOH/DMSO超堿體系中將其剝離為直徑僅3.4 nm的超細(xì)芳綸納米纖維。通過精確調(diào)控質(zhì)子濃度，逐步中和納米纖維表面的負(fù)電荷，觸發(fā)其兩步協(xié)同組裝：首先橫向聚集成束，隨后進(jìn)一步融合成熟，最終構(gòu)建出具有“致密納米孔芯層+大孔蜂窩狀殼層”的雙尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維。該結(jié)構(gòu)通過芯層sub-50 nm孔隙的克努森效應(yīng)抑制氣體導(dǎo)熱，同時(shí)利用殼層微米級(jí)孔洞實(shí)現(xiàn)拉伸過程中的應(yīng)力分散，使纖維兼具高強(qiáng)度與超隔熱性能。實(shí)驗(yàn)表明，該纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)83.1 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)低至22.0 mW·m-1·K-1，由50根單絲組成的紗線斷裂載荷超過12.0 N，完全滿足針織電腦橫機(jī)3.4-5.0 N的上機(jī)張力要求。在針織驗(yàn)證方面，團(tuán)隊(duì)采用單面集圈組織成功實(shí)現(xiàn)氣凝膠纖維絲束的規(guī)模化織造，并縫制成完整背心。在0°C環(huán)境艙中，該氣凝膠纖維織物較棉纖維制品，實(shí)現(xiàn)外表面高達(dá)5.1°C保暖溫差；在北京冬季戶外實(shí)測(cè)中（-2.2°C，風(fēng)速3 km/h），其外表面溫度較棉側(cè)低3°C以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際保暖性能。
這項(xiàng)研究通過動(dòng)力學(xué)控制的酸觸發(fā)組裝策略，成功將離子介導(dǎo)組裝、多級(jí)孔隙調(diào)控與針織結(jié)構(gòu)可加工性進(jìn)行系統(tǒng)性整合，從根本上打破了隔熱性能與力學(xué)強(qiáng)度之間的經(jīng)典權(quán)衡，為開發(fā)下一代高性能隔熱紡織品提供了創(chuàng)新性的解決方案。該技術(shù)不僅在個(gè)人熱管理領(lǐng)域具有突破性意義，同時(shí)其從廢棄芳綸纖維到功能成衣的閉環(huán)制造流程，為紡織行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展開辟了新路徑，標(biāo)志著氣凝膠纖維向工業(yè)化應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。
2.圖文導(dǎo)讀
圖1雜環(huán)芳綸氣凝膠纖維的分級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制與規(guī)模化制備展示
圖2 分級(jí)結(jié)構(gòu)氣凝膠纖維的微觀結(jié)構(gòu)展示與熱力學(xué)性能對(duì)比
圖3 雜環(huán)芳綸氣凝膠纖維針織服裝的一體成形設(shè)計(jì)與熱管理性能對(duì)比