保暖效果堪比羽绒服 科学家用气凝胶织出“北极熊毛衣”

转自：中国科技网

洪恒飞 周炜 科技日报记者 江耘

摆脱臃肿的羽绒服，穿上超薄人造纤维织就的衣服，就能像北极熊一样不畏严寒。

12月22日，浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授和高分子科学与工程学系高微微副教授团队在国际学术期刊《科学》发表论文介绍——联合团队模仿北极熊毛的“核-壳”结构，制备出了一种封装气凝胶的超保暖人造纤维。它不但有传统保温材料的隔热功能，还能“封锁”人体向外辐射的红外线，可以直接在商用纺织机上编织成面料。

模仿北极熊毛的新型纤维织就的面料。

一身超强保暖的“毛衣”，让北极熊能适应零下40℃的环境。北极熊的毛是中空结构，里面封装了大量空气，通过抑制热传导和热对流减少热量的流失。保暖衣物的设计运用了这一原理。

为了追求在保暖的同时更加轻薄，人们自然想到用更少的材料封装更多空气。孔隙率极高、密度比空气还小的气凝胶（空气占总体积90%以上）是一种理想选择。然而，由于气凝胶涂层容易脱落，或者材料的气凝胶含量有限，存在耐磨、抗拉伸等力学性能不佳问题，若要用于提升衣物保暖性能，相关技术和工艺有待突破。

2018年，柏浩课题组模仿北极熊毛发结构，曾研制出一种有序多孔的隔热保温织物，然而其轴向抗拉伸性还不够理想。带着新的挑战，柏浩课题组注意到一个被忽略的细节：北极熊的毛不仅是中空的，而且还有一层约20微米厚的壳，占了毛发直径的近四分之一。

借鉴北极熊毛的“核-壳”结构，联合团队历时近6年，做出了一种新型纤维：纤维的中心是高分子气凝胶，内部分布着直径大约为10-30微米的纤长小孔。它们朝着同一个方向排列，像一个个存储空气的仓库；同时，一层热塑性聚氨酯弹性体外壳将内部的气凝胶包裹起来。

“‘核’负责超强保暖功能。保暖从一定程度上讲就是防止热量的流失。”论文第一作者，博士生吴明瑞介绍，人体散热的主要形式包括热辐射、热对流、热传导和汗液蒸发等，其中热辐射的影响最大（占比40%-60%），热量以红外辐射的形式流失。

他解释说，红外线是从体表皮肤向外辐射，让新型纤维内部小孔的取向与辐射方向垂直，同时调整尺寸，就有望匹配红外线的波长，从而达到锁住红外辐射的目的。

“‘壳’负责强韧耐用，团队为新型纤维设计的热塑性聚氨酯弹性体，使得新型纤维能被拉伸到自身长度的两倍而不断裂，很好地满足了衣物纤维的抗拉伸需求。”柏浩说，过厚的壳会影响纤维的保暖性能，团队选取了一个最优值，兼顾材料的保暖性能和力学性能。

不同面料的保温效果对比。

在零下20℃的恒温冷库内，联合团队进行了一项对比试验——由科研人员分别试穿初始温度相同的羽绒衣、羊毛毛衣、棉毛衫和新款“北极熊毛衣”，并记录衣物表面温度的上升情况。

“升温越少代表人体热量流失越少。”柏浩介绍，实验开始几分钟后，棉毛衫的表面上升到了10.8℃，羽绒衣的表面温度上升到了3.8℃。厚度和羊毛毛衣接近，仅为羽绒衣三分之一到五分之一的新款“北极熊毛衣”表面上升到3.5℃。

“目前，实验室内可连续宏量制备这一新型纤维，并轻松地对新款‘北极熊毛衣’进行着色。”柏浩表示，其制备成本主要是物料和加工，若要走向工业化量产，现阶段物料成本虽低，但加工成本较高，需要进一步改进工艺、降低成本，真正出现在货柜上。

（科研团队供图）

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