科学网—武汉纺织大学王金凤、中国科学院化学研究所张金明团队：连续化制备全生物质的仿生核壳气凝胶纤维
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2026-9-16 10:24
| 系统分类: 论文交流
Continuous Fabrication of Bioinspired All-Biomass Aerogel Fibers for Thermal Insulation
Meiling Zhou, Qiaoling Xue, Lulu Fu, Beini Zeng, Shengnan Ouyang, Shouwei Zhang, Jinming Zhang*, Qingtao Liu, Xungai Wang & Jinfeng Wang*
Nano-Micro Letters (2027)19: 23
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02332-
1. 整 建立了 可规模化 、 连续制备 全生物质气凝胶纤维的方法。
2. 氢键驱动的纤维素收缩 + 醇诱导丝素蛋白固化协同形成 核壳气凝胶纤维 ，并在核层中构筑定向层状孔。
3. 所得分级结构纤维具有 低热导率 52.4 ± 4.2 mW m⁻¹ K⁻¹、 低密度 0.193 ± 0.01 g cm⁻³、 良好机械柔性 、 耐洗稳定性 和 有效热防护 性能。
研究背景
在极端环境个人防护与可持续热管理材料需求日益增长的背景下，兼具轻质、高效隔热与良好力学柔性的纤维材料成为研究热点。尽管生物质气凝胶为可持续发展提供了新思路，但其大多以块体形式存在，柔韧性差、力学强度不足，难以与纺织加工体系兼容。因此，如何实现高性能气凝胶纤维的规模化、连续化制备，同时平衡高孔隙率与力学强度，成为一项重大挑战。
内容简介
为实现仿生核壳结构的连续化构建， 武汉纺织大学王金凤、中国科学院化学研究所张金明 团队 通过 同轴湿法纺丝 将丝素蛋白水溶液(核层)与纤维素离子液体溶液(壳层)共挤出。纤维素壳层在去离子水凝固浴中快速凝胶化，随后经定向冷冻诱导冰模板成型，在纤维核心内形成片层状微观结构。经醇类溶剂置换固化丝素蛋白片层结构后，再经 常压干燥 使纤维素壳层收缩，自发地将气凝胶核层封装于纤维内部。这一巧妙的“自封装”行为，有效缓解了传统气凝胶纤维制备中结构易塌陷、难以连续化生产的难题。
图1 . 仿生气凝胶纤维的设计与制备流程 。
图文导读
I 制备的仿生气凝胶纤维展现出优异的柔韧性与结构稳定性
单根气凝胶纤维可承受高达200 g的拉伸载荷，为其后续织造与穿戴集成奠定了坚实基础。该纤维可编织成精美的中国结等复杂图案，并可通过在纺丝液中添加染料实现彩色化。由于SF@CL-AF的低密度(0.193 ± 0.01 g cm⁻³)，织物可轻盈地放置在狗尾草等支撑物上。经表面疏水化处理后，织物展现出优异的 超疏水性能 。热导率测试表明，SF@CL-AF的热导率仅为52.4 ± 4.2 mW m⁻¹ K⁻¹，显著低于PET、尼龙、棉和羊毛等商用纤维。在40 °C热台上的红外热成像对比中，气凝胶织物表面温度明显低于对照织物；在冷水浸泡测试中，气凝胶手套覆盖下的手部表面温度(约24 °C)显著高于带棉手套(19.6 °C)和裸手的温度(15.4 °C)，验证了其保温隔热能力。
图2 气凝胶纤维与织物的结构性能与应用展示 。
II 气凝胶纤维的微观结构主要由定向冷冻过程中的冰模板调控
气凝胶纤维的微观结构主要由定向冷冻过程中的冰模板调控。团队系统考察了冷冻温度与浸入速率对纤维结构与性能的影响。随着冷冻温度降低，内部孔径逐渐减小，微观结构从疏松不规则的网络转变为密实排列的片层状架构。这一结构演化带来了力学性能的变化。冷冻温度从-40 °C降至-100 °C时，拉伸强度从7.30 MPa提升至10.53 MPa，断裂伸长率从5.16%增至13.55%。隔热性能同样随冷冻温度降低而提升。在-20 °C冷台下，表面温差ΔT从T-40的~3.2 °C增至T-100的~5.0 °C；在80 °C热台下，ΔT从~5.8 °C增至~7.0 °C。浸入速率方面，缓慢浸入有利于形成高度定向的片层多孔结构，而速率过快则导致孔结构趋于无序。这种片层状架构不仅能通过界面屏障抑制热传导，还能通过多重反射效应显著衰减红外辐射。
图 3. 冷冻温度与速率对微观结构与性能的影响 。
III 纤维的核壳厚度系统优化
为实现力学强度与隔热性能的最佳平衡，研究团队对纤维的核壳厚度进行了系统优化。随着核层直径从~610 μm增至~850 μm，拉伸强度从14.12 MPa降至7.82 MPa，断裂伸长率从17.42%降至8.59%；而隔热性能则随之提升。冷台下，ΔT从~1.9 °C升至~4.8 °C；热台下，ΔT从~4.6 °C升至~8.0 °C。综合考虑，~710 μm的核层直径被选为最优参数。壳层厚度方面，从~20 μm增至~120 μm时，拉伸强度从7.62 MPa升至12.26 MPa，但断裂伸长率从13.59%降至3.43%。隔热性能则随壳层增厚而下降，冷台下，ΔT从~5.3 °C降至~2.0 °C；热台下，ΔT从~7.2 °C降至~5.5 °C。
图4. 核层直径与壳层厚度对力学与隔热性能的影响 。
IV 全生物质核壳气凝胶纤维的连续化生产
本研究实现了全生物质核壳气凝胶纤维在常压条件下的连续化生产，并成功制备了多个纱锭和大面积机织织物(40 × 25 cm²)。机织气凝胶织物在-20至80 °C的动态热循环中，表面温度分别稳定在-14 °C和70 °C，展现出稳定的热调节能力。生物降解性测试表明，该纤维在模拟环境条件下6周内降解率超过90%。综合性能雷达图对比显示，SF@CL-AF在拉伸强度、热导率、密度、可生物降解性和连续化生产等维度上实现了优异的性能平衡。
图5 . 气凝胶纤维的 连续化生产与生物降解性能 。
V 总结
综上所述，本研究受北极熊毛发多孔核壳结构启发，开发了一种可连续化、规模化制备的全生物质核壳结构气凝胶纤维。通过同轴湿法纺丝、定向冷冻、溶剂交换与常压干燥的集成策略，实现了核层直径与壳层厚度的灵活调控，以及片层多孔结构的精确控制。该纤维在轻质隔热与力学性能之间实现了优异的平衡。这一技术为可持续气凝胶纺织品在极端环境防护中的应用，提供了可规模化、环境友好的新路径。
作者简介
王金凤
本文通讯作者
武汉纺织大学 教授
▍ 主要研究 领域
废旧纺织品循环利用和纺织品服用性能。
▍ 主要研究成果
先进纺纱织造及清洁生产国家地方联合工程实验主任，主要围绕废旧纺织品循环利用和纺织品服用性能开展研究工作，近5年，先后在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Environ. Sci. Technol.、Nano-Micro Lett.等本领域学术期刊发表论文70余篇，入选2024年及2025全球前2%顶尖科学家。主持并完成了国家自然科学基金、澳大利亚政府、国际羊毛局等研发项目。目前担任中国纺织工程学会纺织循环再利用专委会副主任，中国循环经济协会专家委员。
▍ Email： Jinfeng.wang@wtu.edu.cn
张金明
本文通讯作者
中国科学院化学研究所 研究员
▍ 主要研究 领域
天然高分子、功能材料和绿色过程研究。
▍ 主要研究成果
主要从事天然高分子、功能材料和绿色过程研究。在Nat. Commun.、Environ. Sci. Technol.、CCS Chem.、Nano-Micro Lett.等国际期刊上发表SCI论文150余篇，SCI引用7000余次；授权中国发明专利42项；授权PCT专利1项；合著中英文专著4部。承担国家自然科学基金4项，主持企业项目12项，主持碳中和化学创新团队项目1项，主持山东省重点研发计划子课题1项。2013年获北京市科学技术奖一等奖；2022年获得中国科学院青年创新促进会优秀会员称号；2023年获得中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖。
▍ Email： zhjm@iccas.ac.cn
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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