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

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。

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。

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。

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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