浙大“北極熊毛衣”登Science，保溫效率達(dá)羽絨服5倍

克雷西 2023-12-22 13:01:20 來源：量子位

克雷西 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

最近，一波又一波寒潮接踵而至，羽絨服成了人們過冬的必備物品。

而浙大研制了一種新型材料，不僅保暖而且比羽絨服更輕薄耐用，論文已經(jīng)登上了Science。

它模仿了北極熊毛的結(jié)構(gòu)，僅用五分之一的厚度，就能達(dá)到和羽絨一樣的保暖效果。

這款“北極熊毛材料”名為EAF，由浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院柏浩教授課題組研制。

除了優(yōu)異的保溫性能，它還具有1600%的延展能力，完全滿足用來織造的需求。

而且重復(fù)拉伸或水洗后，依舊可以保持原有的保溫性能。

那么，EAF的保暖效果究竟有多強(qiáng)呢？

既保暖又“抗造”

首先，研究人員測(cè)試了EAF未被加工成毛衣時(shí)的保溫性能，并與常見的尼龍、滌綸(PET)、羊毛三種材料進(jìn)行了對(duì)比。

研究者將這四種材料放置在恒溫40℃的熱臺(tái)上，待材料外表面溫度趨于穩(wěn)定后使用紅外相機(jī)對(duì)其進(jìn)行測(cè)溫。

測(cè)得的外表面溫度越低，即和熱臺(tái)的溫差越大，說明材料從熱臺(tái)吸收的熱量越少，也就是熱絕緣性越強(qiáng)。

結(jié)果顯示，EAF的溫差達(dá)到了8℃，保溫性能超越了其他三種材料。

進(jìn)一步計(jì)算結(jié)果表明，EAF材料的熱導(dǎo)率僅為26.9±1.8mW/(m·K)，遠(yuǎn)低于尼龍的91.2±1.6和滌綸的98.3±1.9，以及羊毛的38.9±1.1，擁有更好的保溫效果。

研究者接著又把EAF和羽絨進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果是兩者的保溫效果接近，但EAF的厚度僅為羽絨的1/5。

將材料織成衣物后，研究者讓受試人員在零下20℃的環(huán)境下分別穿著用EAF做的“北極熊毛衣”、羽絨服、羊毛衫和棉質(zhì)毛衣，對(duì)其外表面溫度進(jìn)行了測(cè)定。

外表面溫度越低，說明從內(nèi)部（受試者體表）散發(fā)出的熱量越少，更多的熱量被“鎖”在了內(nèi)面。

結(jié)果“北極熊毛衣”表面溫度為3.5℃，保暖性能大幅超過了羊毛衫和棉質(zhì)毛衣，也小幅超過了羽絨服（但是前者更薄）。

除了優(yōu)異的保溫性能，EAF材料在其他方面的表現(xiàn)也很出色。

比如上圖中最右側(cè)的結(jié)果是將EAF水洗之后測(cè)試的，說明了其保暖性能不會(huì)因水洗而降低，體現(xiàn)了良好的抗水洗性。

EAF的抗拉伸性能，外殼厚度為140微米的EAF材料可以承受16倍的伸長和高達(dá)12.7MPa的拉伸強(qiáng)度。

這相當(dāng)于在1平方米的EAF材料上掛上超過1噸的重物，依然不會(huì)發(fā)生斷裂，混凝土的拉伸強(qiáng)度也不過2-5MPa。

并且這種拉伸不會(huì)造成保溫性能的損失，研究人員對(duì)EAF材料反復(fù)拉伸到10倍長度，重復(fù)一萬次后溫度并未發(fā)生明顯變化。

此外，EAF材料還具有易染色、易編織、穿著舒適等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用作服裝材料。

而在這些優(yōu)異性能的背后，“北極熊”功不可沒。

靈感來自北極熊

北極熊能在冰天雪地的環(huán)境中長期生存，一定離不開身上的毛發(fā)。

受這一點(diǎn)啟發(fā)，研究人員對(duì)北極熊毛發(fā)進(jìn)行了分析，結(jié)果真的發(fā)現(xiàn)了特殊結(jié)構(gòu)。

他們觀察了北極熊毛發(fā)的電鏡照片，發(fā)現(xiàn)它是一種兩層結(jié)構(gòu)，外層是致密的殼，內(nèi)部則是疏松多孔的構(gòu)造。

進(jìn)一步探究表明，這兩部分各司其職，外殼負(fù)責(zé)保證機(jī)械性能，內(nèi)核則起到隔熱保溫的主要功能，同時(shí)外殼對(duì)內(nèi)核也有保護(hù)作用。

按照這一思路，研究人員分別對(duì)EAF的外殼和內(nèi)核進(jìn)行設(shè)計(jì)，將保溫功能與機(jī)械功能分離，避免了功能之間的制約。

其中，EAF的內(nèi)核是含有大量亞微米級(jí)孔隙的高分子氣凝膠，能從傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射三個(gè)維度一同阻隔熱量的損失；外殼則采用了現(xiàn)有的熱塑性聚氨酯橡膠（TPU）材料。

制備過程中，首先將殼聚糖在1%的冰醋酸水溶液中溶解，比例為每100mL醋酸溶液加入3.7g殼聚糖。

然后將殼聚糖溶液通過泵壓入金屬環(huán)孔，在環(huán)孔冷區(qū)中凝固成冰肪材料，再經(jīng)過馬達(dá)拉取成凍融纖維，就得到了EAF的內(nèi)核。

之后則是用TPU溶液對(duì)內(nèi)核材料進(jìn)行包裹，TPU溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，比例為每100mL溶劑中加入15g的TPU。

包裹完成后，通過恒溫?zé)犸L(fēng)系統(tǒng)，在80℃左右的溫度下將溶劑蒸發(fā)，于是外殼TPU層重新回到固態(tài)，就完成了EAF的核殼結(jié)構(gòu)。

將此時(shí)的復(fù)合纖維進(jìn)行凍干，以充分脫除水分，EAF的制備就大功告成了。

你期待穿上這件“北極熊毛衣”了嗎？

論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013