浙大“北極熊毛衣”登Science，保溫效率達羽絨服5倍

克雷西 2023-12-22 13:01:20 來源：量子位

克雷西 發自 凹非寺

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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，論文已經登上了Science。

它模仿了北極熊毛的結構，僅用五分之一的厚度，就能達到和羽絨一樣的保暖效果。

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

除了優異的保溫性能，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呢？

既保暖又“抗造”

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

研究者將這四種材料放置在恒溫40℃的熱臺上，待材料外表面溫度趨于穩定后使用紅外相機對其進行測溫。

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

結果顯示，EAF的溫差達到了8℃，保溫性能超越了其他三種材料。

進一步計算結果表明，EAF材料的熱導率僅為26.9±1.8mW/(m·K)，遠低于尼龍的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和羽絨進行了對比，結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℃的環境下分別穿著用EAF做的“北極熊毛衣”、羽絨服、羊毛衫和棉質毛衣，對其外表面溫度進行了測定。

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

結果“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毛衣，也小幅超過了羽絨服（但是前者更薄）。

除了優異的保溫性能，EAF材料在其他方面的表現也很出色。

比如上圖中最右側的結果是將EAF水洗之后測試的，說明了其保暖性能不會因水洗而降低，體現了良好的抗水洗性。

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12.7MPa的拉伸強度。

這相當于在1平方米的EAF材料上掛上超過1噸的重物，依然不會發生斷裂，混凝土的拉伸強度也不過2-5MPa。

并且這種拉伸不會造成保溫性能的損失，研究人員對EAF材料反復拉伸到10倍長度，重復一萬次后溫度并未發生明顯變化。

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

而在這些優異性能的背后，“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境中長期生存，一定離不開身上的毛發。

受這一點啟發，研究人員對北極熊毛發進行了分析，結果真的發現了特殊結構。

他們觀察了北極熊毛發的電鏡照片，發現它是一種兩層結構，外層是致密的殼，內部則是疏松多孔的構造。

進一步探究表明，這兩部分各司其職，外殼負責保證機械性能，內核則起到隔熱保溫的主要功能，同時外殼對內核也有保護作用。

按照這一思路，研究人員分別對EAF的外殼和內核進行設計，將保溫功能與機械功能分離，避免了功能之間的制約。

其中，EAF的內核是含有大量亞微米級孔隙的高分子氣凝膠，能從傳導、對流和熱輻射三個維度一同阻隔熱量的損失；外殼則采用了現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孔，在環孔冷區中凝固成冰肪材料，再經過馬達拉取成凍融纖維，就得到了EAF的內核。

之后則是用TPU溶液對內核材料進行包裹，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，通過恒溫熱風系統，在80℃左右的溫度下將溶劑蒸發，于是外殼TPU層重新回到固態，就完成了EAF的核殼結構。

將此時的復合纖維進行凍干，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