我國科學(xué)家用氣凝膠織出“北極熊毛衣”

科技日報(bào)訊 （洪恒飛 周煒 記者江耘）穿上人造纖維織就的超薄衣物，就能擺脫臃腫的羽絨服，像北極熊一樣不畏嚴(yán)寒？1月3日，記者獲悉，浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院柏浩教授和高分子科學(xué)與工程學(xué)系高微微副教授團(tuán)隊(duì)近日在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表了最新研究成果。該成果通過模仿北極熊毛的“核—?dú)ぁ苯Y(jié)構(gòu)，制備出一種封裝氣凝膠超保暖人造纖維。它不但有傳統(tǒng)保溫材料的隔熱功能，還能“封鎖”人體向外輻射的紅外線，且可以直接用商用紡織機(jī)編織成面料。

一身具有超強(qiáng)保暖效果的“毛衣”，讓北極熊能適應(yīng)零下40攝氏度的環(huán)境。北極熊的毛是中空結(jié)構(gòu)，里面封裝了大量空氣，可通過抑制熱傳導(dǎo)和熱對流減少熱量流失。

保暖衣物的設(shè)計(jì)正是運(yùn)用了這一原理。為了讓衣物在保暖的同時(shí)更加輕薄，科研人員試圖用更少的材料封裝更多空氣。孔隙率極高、密度比空氣還小的氣凝膠（空氣占總體積90%以上）是一種理想選擇。然而，由于氣凝膠涂層容易脫落，且氣凝膠含量有限，存在耐磨、抗拉伸等力學(xué)性能不佳等問題。若要將它用于提升衣物保暖性能，還需突破相關(guān)技術(shù)和工藝。

2018年，柏浩課題組模仿北極熊毛發(fā)結(jié)構(gòu)，曾研制出一種有序多孔的隔熱保溫織物，然而其軸向抗拉伸性還不夠理想。帶著新的挑戰(zhàn)，柏浩課題組注意到一個(gè)被忽略的細(xì)節(jié)——北極熊的毛不僅是中空的，而且還有一層約20微米厚的殼，占了毛發(fā)直徑的近四分之一。

借鑒北極熊毛的“核—?dú)ぁ苯Y(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)近6年，研制出了一種新型纖維。該纖維的中心是高分子氣凝膠，內(nèi)部分布著直徑大約為10—30微米的纖長小孔。它們朝著同一個(gè)方向排列，像一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)空氣的倉庫。同時(shí)，一層熱塑性聚氨酯彈性體外殼將內(nèi)部的氣凝膠包裹起來。

“‘核’負(fù)責(zé)超強(qiáng)保暖。保暖從一定程度上講就是防止熱量的流失。”論文第一作者、浙江大學(xué)博士生吳明瑞介紹，人體散熱的主要形式包括熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)和汗液蒸發(fā)等，其中熱輻射的影響最大（占比40%—60%），熱量以紅外輻射的形式流失。

吳明瑞解釋說，紅外線是從體表皮膚向外輻射。讓新型纖維內(nèi)部小孔的取向與輻射方向垂直，同時(shí)調(diào)整尺寸，就有望匹配紅外線的波長，從而達(dá)到鎖住紅外輻射的目的。

“‘殼’負(fù)責(zé)強(qiáng)韌耐用。團(tuán)隊(duì)為新型纖維設(shè)計(jì)的熱塑性聚氨酯彈性體，使得新型纖維能被拉伸到自身長度的兩倍而不斷裂，很好地滿足了衣物纖維的抗拉伸需求。”柏浩說，過厚的“殼”會(huì)影響纖維的保暖性能，團(tuán)隊(duì)選取了一個(gè)最優(yōu)值，兼顧了材料的保暖性能和力學(xué)性能。

在零下20攝氏度的恒溫冷庫內(nèi)，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)對比試驗(yàn)——由科研人員分別試穿初始溫度相同的羽絨服、羊毛毛衣、棉毛衫和用新型超保暖人造纖維制成的“北極熊毛衣”，并記錄衣物表面溫度的上升情況。

“升溫越少代表人體熱量流失越少。”柏浩介紹，試驗(yàn)開始幾分鐘后，棉毛衫的表面溫度上升到了10.8攝氏度，羽絨服的表面溫度上升到了3.8攝氏度。厚度和羊毛毛衣接近、僅為羽絨服三分之一到五分之一的新款“北極熊毛衣”表面溫度上升到3.5攝氏度。

“目前，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可連續(xù)制備這一新型纖維，并對新款‘北極熊毛衣’進(jìn)行著色。”柏浩表示，其制備成本主要源于物料和加工。現(xiàn)階段物料成本雖低，但加工成本較高，若要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，還需要進(jìn)一步改進(jìn)工藝、降低成本，才能讓“北極熊毛衣”真正出現(xiàn)在貨架上。

來源： 科技日報(bào)