摘要：高温作业环境不仅影响工作效率， 更威胁 着工人的健康与安全。据统计，国际劳工组织 2020 年的数据显示，全球每年因高温环境导致的职业伤害高达 2287 万例，其中死亡病例近 1.9 万例。 热防护纺织品不仅能确保穿戴的舒适性 ，还能在极端环境下保障人身安全，

高温作业环境不仅影响工作效率， 更威胁 着工人的健康与安全。据统计，国际劳工组织 2020 年的数据显示，全球每年因高温环境导致的职业伤害高达 2287 万例，其中死亡病例近 1.9 万例。 热防护纺织品不仅能确保穿戴的舒适性 ，还能在极端环境下保障人身安全，特别是在强烈热辐射和危险的火灾情况下。气凝胶纤维作为最具隔热潜力的材料之一，在多孔、轻质和低导热率的基础上兼具可二次加工性能，可以被用来织造多孔耐磨的气凝胶织物。 诸多材料已被成功应用于制造气凝胶纤维，如石墨烯、纤维素、聚酰亚胺等。其中， 芳纶气凝胶 纤维因其出色的隔热性，耐高温性和阻燃性，引起了科研人员的广泛研究兴趣。然而，高孔隙率虽然可以降低气凝胶纤维的导热性，却会牺牲其机械强度，这限制了其编织成纺织品的能力，难以满足实际应用需求。因此，如何获得具有优良热防护性能和足够机械强度的气凝胶纤维，仍然是一个重大挑战。

为了解决上述问题，天津工业大学庄旭品教授和杨光教授与瑞士洛桑联邦理工学院马友伟博士合作，通过两步凝固的湿法纺丝技术，设计了具有皮-芯结构的结构工程化芳纶气凝胶纤维（SEAAFs）。该过程包括 ANF 纺丝溶胶前体在酸中快速凝胶化，以形成刚性、高度有序的皮层，然后在水中缓慢凝胶化，产生 无序 多孔芯层。利用密度泛函理论（DFT）计算和二维红外（2D-IR）光谱分析证实了SEAAF形成的质子供体调控机理。 这种纤维 的 断裂应力 可 达 64.3 MPa ，还具 有 超低导热系数（ 28.3 mW·m ⁻ ¹ ·K ⁻ ¹ ） ，可 机器织造 成高性能隔热织物，在 极端高温（ 200 °C ）和低温（ -15 °C ）环境下均表现出卓越的防护性能 ，为下一代热防护纺织品提供了突破性解决方案 。相关成果以《 Engineering Aramid Aerogel Fibers with Core-Shell Structure for High -Performance Thermal Protective Textiles 》为题发表于《Advanced Functional Materials》上。第一作者为天津工业大学博士研究生胡颖荷。

【SEAAFs的制备、结构性能研究及其织造能力】

该研究 采用甲酸 - 水 两步凝固 策略， 分步 控制凝胶化过程，使 溶胶 纤维外部在甲酸中快速形成致密有序的 皮 层， 芯 部在水中缓慢形成多孔 芯 层（孔隙率 98% ），构建 了具有分级皮 - 芯 结构 气 凝胶纤维。结果表明该 结构 可以有效的解决多孔结构与 力学性能 之间的矛盾 ：断裂应力高达 64.3 MPa （是均质气凝胶纤维的 4.5 倍），同时保持超低导热系数（ 28.3 mW·m⁻¹·K⁻¹ ） 。此外， SEAAFs 兼具疏水性和柔性 ，并能承受自身重量 8000 倍的负载。更重要的是，可直接织机织造出大尺寸织物（面密度 46.3 g · m ⁻ 2 ），并可实现织物组织图案的可设计性，如平纹、斜纹和 锻纹 ，为高性能隔热纺织品的实际应用奠定了基础。

图 1. SEAAFs 的制备和表征。 a) 湿法纺丝技术制备 SEAAFs 示意图； b) SEAAF 的横截面、 i ) 皮 - 芯界面的 SEM 图像，以及 ii) 皮和 iii) 芯的放大图像； c) SEAAF 皮和 芯的 载荷 - 位移曲线； d) SEAAF 和 AAF 的应力 - 应变曲线；插图为 SEAAF 提起 500 g 重物的图片； e) SEAAF 打结的 SEM 图像； f) SEAAF 织物在织机上制备的图片； g) SEAAF 织物的图片； h) SEAAF 织物平纹、斜纹和缎纹的图片； i ) SEAAF 织物在狗尾巴草上的图片。

【SEAAFs的形成机制】

热力学与动力学的表征手段揭示了 SEAAFs 的皮 - 芯结构 的形成机制。 2D-IR 光谱记录了 ANFs 在不同凝固浴中的结构演变 过程， DFT 计算 研究了 ANFs 在水和 HCOOH 溶液中的氢键相互作用及其组装结构 。 研究表明，甲酸再质子化反应具有更低的活化能和 Gibbs 自由能，证实其在动力学和热力学上反应的优势。这种酸 / 水不同质子供体的差异凝胶化机制，实现皮层快速有序凝胶化和芯层缓慢无定形凝胶化，为皮 - 芯结构设计提供了理论指导。

图2. SEAAF 中皮-芯结构的形成机理。a) ANF 溶胶在 HCOOH 和水浴中凝胶化过程的图片；b i), iii), v) ANF 溶胶在水中再质子化时，在i), ii) 1 min，iii) , iv) 25 min和 v), vi) 30 min反应时间内，1800-1550 cm-1波长范围内的同步和 ii), iv), vi) 异步二维红外光谱； c i) ANF 溶胶在 40% HCOOH 中再质子化反应时，在 1800-1550 cm-1波长范围内的同步和异步二维红外光谱，反应时间为 5 s；ANF在 d) HCOOH 和 e) 水中的组装结构模拟；黑色、红色和蓝色虚线依次代表氢键、π-π堆积和σ-π堆积相互作用；f) ANF 与不同质子供体（包括 H2O、HCOOH 和 CH3COOH）发生再质子化反应的能量曲线； g) SEAAF 中皮-芯结构的假设形成机制示意图，包括 ANF 溶胶在酸中的快速再质子化（形成皮）和随后水慢速再质子化（形成芯）。

【SEAAFs的力学性能和微观结构优化】

通过调控纺丝参数，显著提升了 SEAAFs 的机械性能。提高 HCOOH 浓度有利于增加皮层厚度和提高断裂强度，使其力学性能显著优于水浴制备的气凝胶纤维。当 ANF 浓度提高至 30 mg mL -1 时， SEAAFs 的断裂应力达到 64.3 MPa ，断裂伸长率为 30% ，远超大部分气凝胶纤维的范围（ 0.5-41.0 MPa ）。结构分析表明，甲酸处理可减小皮层孔径，而增加 ANFs 浓度则使孔径进一步降低，说明了微观结构的可调控性与力学性能增强的关联性。

图 3. 气凝胶纤维的机械性能。 a) A 25 F 20 、 b) A 25 F 40 、 c) A 25 F 60 和 d) A 25 W 的芯 - 皮横截面的 FIB-SEM 图像；气凝胶纤维的应力 - 应变曲线，通过改变 e) HCOOH 的浓度从 0% （即 A 25 W ）到 60% ， f) 质子供体的类型， g) 和 ANF 溶胶的浓度从 15 mg mL -1 到 30 mg mL -1 、 h) SEAAF 与文献中报道的其他气凝胶纤维的机械性能比较。

【SEAAF的热防护性能】

SEAAF s 在 100 °C 的热源上表 现出 明显 的 皮 - 芯 温差效应，其中 A 25 F 40 芯部 与热源 温差最高（ ΔT=14.4 °C ）， 优于 A 25 W （ ΔT=10.6°C ）。导热系数 （ 28.3 mW·m⁻¹·K⁻¹ ）与多数 文献报道的气凝胶 纤维（ 28.7–52.0 mW·m⁻¹·K⁻¹ ） 相比具有明显的隔热优势。 0.8 mm 厚的平纹 气凝胶 织物 即使是 在 200 °C 热 源 上，其隔热效果 仍 相当于 厚度 5.7 mm 羽绒 、 7.5 mm 的棉布 或 8.1 mm 的絮片。此外， 在 -15 °C 的 低温条件下，平纹 气凝胶 织物 亦有优异的隔热效果。

图 4. SEAAF 织物的隔热性能。 a) ANF 气凝胶纤维在 100 ° C （上）和 -15 ° C （下）阶段测量的红外热图像和 b) 温度差 | Δ T| ； c) SEAAF 织物与报道的其他气凝胶织物导热系数λ的比较； d) SEAAF 织物、羽绒、棉花和絮片在 e) 热（ 200 ° C ）和 f) 冷（ -15 ° C ）源的图片和红外热图像； h) A25 W 、 A 25 F 20 、 A 25 F 40 和 A 25 F 60 在 8-14 μ m 波长范围内的红外反射率； i ) SEAAF 织物掀起一角在 200 ° C 热台上的红外热图像。

模拟了 SEAAF 织物在极冷或极热环境的场景中的应用。在 -10 ° C 的环境中，与棉织物相比， SEAAF 织物覆盖的人体区域表现出显著降低的温差。热流测试显示， SEAAF 织物显著提高了隔热效果，其热流密度仅为棉织物的约 23.6% 。 SEAAF 织物与铝膜的复合织物， 在承受 ~ 1000 °C 熔融 铝冲击 时，背面温度仅 95.4 °C ，优于 商用 热 防护 材料 （ 335.6 °C ） ， 并表现出优异的 TPP 防护性能 。 充分 证实 了 SEAAF 织物 在极端环境下均具有 优异热防护能力。

图 5. SEAAF 织物及其与铝膜的复合材料（CTPAF）的热防护应用。a) SEAAF 织物用于极端环境下个人热防护的示意图；b) 左侧为棉织物，右侧为 SEAAF 织物的隔热性能：i) 穿着定制织物的志愿者照片，ii) 在 -10 °C 下获得的红外图像；iii) CTPAF 和商用热防护织物 (CTPT) 的热流密度曲线；c) 高温热防护性能：i) CTPAF（上）和 CTPT（下）的组成示意图；ii) CTPAF 热防护测试图片；iii) 在 CTPAF 和 CTPT 上浇铸熔融铝后的温度-时间曲线。

【总结】

该工作采用湿法纺丝工艺 通过酸浴和 水浴两步凝固的方法对 ANFs 再质子化过程进行调控，获得了结构工程化的 芳纶气凝胶 纤维。利用先进的研究手段探究了皮 - 芯结构 的演变过程，阐明了其形成机制。通过 ANFs 的组装与结构调控，获得了优化的、可 大规模连续化制备的 高机械性能与优异隔热性 能的 SEAAFs ，为解决气凝胶纤维在热防护性能与机械性能之间的矛盾提供了一种新思路。研究 为开发新一代轻量化热防护纺织品奠定了基础，具有广阔应用前景。

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来源：科讯生活