气凝胶虽被誉为“超级绝热材料”，但其脆性与难加工性长期制约纺织应用。传统气凝胶纤维化技术依赖溶液挤出法，需经历纺丝、干燥等多步骤，存在效率低、力学损失大（强度损失约95%）等瓶颈。东华大学朱美芳院士、成艳华研究员团队创新提出卷对卷加捻组装策略（图1），以二维聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜为载体，通过溶液喷涂负载78%体积分数的介孔二氧化硅气凝胶颗粒，经连续加捻形成阿基米德螺旋纱线结构，最终包覆纳米纤维保护层。该工艺以900米/小时高速连续产出气凝胶纱线（NF-TAY），其密度仅0.20 g·cm⁻³、孔隙率达85%。微观表征（图1i-k）显示气凝胶颗粒被紧密锚定于加捻纳米纤维的层状结构中，外层纳米纤维网络有效防止颗粒脱落。
示意图1.加捻组装气凝胶纱线的示意图具有加捻结构和优异的保温性能的纺织品。
图1.气凝胶纱线的制造及其微观形态。
力学与隔热性能双重突破（图2-3）：加捻结构诱导纳米纤维径向压缩，提升纤维间摩擦与致密度，形成稳固的“多层过滤器”架构（图2a）。所得纱线（直径800 μm）拉伸强度达16.3 MPa，断裂伸长率55.4%，较原始膜强度提升7倍、韧性激增27倍（图2b-c）。单根纱线（15 mg）可提拉500 g重物（相当自重3.3万倍，图2d），并展现优异柔韧性，可紧密打结（曲率半径500 μm，图2e-g）及编织成复杂织物（图2h-k）。其隔热性能更超越羊绒：NF-TAY纺织品导热系数仅32.3 mW·m⁻¹·K⁻¹，显著低于羊绒（37.2）和棉（46.7）。红外成像证实（图3a-b），在40℃热台与10℃环境中，1.5 mm厚NF-TAY织物表面温度（31.4℃）低于羊绒（32.3℃）与棉（33.2℃）。三重隔热机制（图3c）包括：①气凝胶纳米孔（20 nm）通过克努森效应抑制气体传热；②PAN纤维提升辐射屏蔽；③纳米纤维/气凝胶界面弱化声子传递。即便经历–196℃至100℃极端温度、机械形变及压缩（6250 Pa），隔热稳定性（|ΔT|≈13℃）仍保持不变（图3d）。
图 2.气凝胶纱线的机械性能。
图3.气凝胶纱线的保温性能。
多功能集成拓展应用场景（图4）：疏水气凝胶颗粒与纳米纤维包覆层协同实现耐百次水洗，力学保留率>97%、颗粒脱落<1 wt%（图4a）；外层喷涂聚偏氟乙烯（PVDF）后接触角达146°（图4b-c），适应高湿环境；电纺涂层添加染料可实现多彩编织（图4d-e）；表面沉积碳纳米管（CNTs）后，在–21℃环境中8.2 V电压即可升温至25℃（人体舒适温度），赋予主动加热功能（图4f-g）。
图 4.多功能 NF-TAY 应用程序。
该工作通过卷对卷加捻技术破解气凝胶连续化生产与力学强韧化难题，所开发纱线兼具高负载（78%）、高强度（16.3 MPa）、超低导热（32.3 mW·m⁻¹·K⁻¹）及耐极端环境特性，并支持染色、疏水与加热功能定制，为极地防护、军事装备及智能可穿戴纺织品提供革新方案。
来源：高分子科学前沿
