我國科學家用氣凝膠織出“北極熊毛衣”-新華網
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2024 01/05 08:35:04
來源:科技日報

我國科學家用氣凝膠織出“北極熊毛衣”

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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寒?1月3日,記者獲悉,浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩教授和高分子科學與工程學系高微微副教授團隊近日在國際學術期刊《科學》上發表了最新研究成果。該成果通過模仿北極熊毛的“核—殼”結構,制備出一種封裝氣凝膠超保暖人造纖維。它不但有傳統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編織成面料。

一身具有超強保暖效果的“毛衣”,讓北極熊能適應零下40攝氏度的環境。北極熊的毛是中空結構,里面封裝了大量空氣,可通過抑制熱傳導和熱對流減少熱量流失。

保暖衣物的設計正是運用了這一原理。為了讓衣物在保暖的同時更加輕薄,科研人員試圖用更少的材料封裝更多空氣??紫堵蕵O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,還需突破相關技術和工藝。

2018年,柏浩課題組模仿北極熊毛發結構,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,柏浩課題組注意到一個被忽略的細節——北極熊的毛不僅是中空的,而且還有一層約20微米厚的殼,占了毛發直徑的近四分之一。

借鑒北極熊毛的“核—殼”結構,團隊歷時近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。它們朝著同一個方向排列,像一個個存儲空氣的倉庫。同時,一層熱塑性聚氨酯彈性體外殼將內部的氣凝膠包裹起來。

“‘核’負責超強保暖。保暖從一定程度上講就是防止熱量的流失?!闭撐牡谝蛔髡?、浙江大學博士生吳明瑞介紹,人體散熱的主要形式包括熱輻射、熱對流、熱傳導和汗液蒸發等,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。讓新型纖維內部小孔的取向與輻射方向垂直,同時調整尺寸,就有望匹配紅外線的波長,從而達到鎖住紅外輻射的目的。

“‘殼’負責強韌耐用。團隊為新型纖維設計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?!卑睾普f,過厚的“殼”會影響纖維的保暖性能,團隊選取了一個最優值,兼顧了材料的保暖性能和力學性能。

在零下20攝氏度的恒溫冷庫內,聯合團隊進行了一項對比試驗——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?!卑睾平榻B,試驗開始幾分鐘后,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,實驗室內可連續制備這一新型纖維,并對新款‘北極熊毛衣’進行著色?!卑睾票硎?,其制備成本主要源于物料和加工?,F階段物料成本雖低,但加工成本較高,若要實現工業化量產,還需要進一步改進工藝、降低成本,才能讓“北極熊毛衣”真正出現在貨架上。

【糾錯】 【責任編輯:滿旭蕊】
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