浙大“北极熊毛衣”登Science，保温效率达羽绒服5倍

克雷西 2023-12-22 13:01:20 来源：量子位

克雷西 发自 凹非寺

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最近，一波又一波寒潮接踵而至，羽绒服成了人们过冬的必备物品。

而浙大研制了一种新型材料，不仅保暖而且比羽绒服更轻薄耐用，论文已经登上了Science。

它模仿了北极熊毛的结构，仅用五分之一的厚度，就能达到和羽绒一样的保暖效果。

这款“北极熊毛材料”名为EAF，由浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授课题组研制。

除了优异的保温性能，它还具有1600%的延展能力，完全满足用来织造的需求。

而且重复拉伸或水洗后，依旧可以保持原有的保温性能。

那么，EAF的保暖效果究竟有多强呢？

既保暖又“抗造”

首先，研究人员测试了EAF未被加工成毛衣时的保温性能，并与常见的尼龙、涤纶(PET)、羊毛三种材料进行了对比。

研究者将这四种材料放置在恒温40℃的热台上，待材料外表面温度趋于稳定后使用红外相机对其进行测温。

测得的外表面温度越低，即和热台的温差越大，说明材料从热台吸收的热量越少，也就是热绝缘性越强。

结果显示，EAF的温差达到了8℃，保温性能超越了其他三种材料。

进一步计算结果表明，EAF材料的热导率仅为26.9±1.8mW/(m·K)，远低于尼龙的91.2±1.6和涤纶的98.3±1.9，以及羊毛的38.9±1.1，拥有更好的保温效果。

研究者接着又把EAF和羽绒进行了对比，结果是两者的保温效果接近，但EAF的厚度仅为羽绒的1/5。

将材料织成衣物后，研究者让受试人员在零下20℃的环境下分别穿着用EAF做的“北极熊毛衣”、羽绒服、羊毛衫和棉质毛衣，对其外表面温度进行了测定。

外表面温度越低，说明从内部（受试者体表）散发出的热量越少，更多的热量被“锁”在了内面。

结果“北极熊毛衣”表面温度为3.5℃，保暖性能大幅超过了羊毛衫和棉质毛衣，也小幅超过了羽绒服（但是前者更薄）。

除了优异的保温性能，EAF材料在其他方面的表现也很出色。

比如上图中最右侧的结果是将EAF水洗之后测试的，说明了其保暖性能不会因水洗而降低，体现了良好的抗水洗性。

EAF的抗拉伸性能，外壳厚度为140微米的EAF材料可以承受16倍的伸长和高达12.7MPa的拉伸强度。

这相当于在1平方米的EAF材料上挂上超过1吨的重物，依然不会发生断裂，混凝土的拉伸强度也不过2-5MPa。

并且这种拉伸不会造成保温性能的损失，研究人员对EAF材料反复拉伸到10倍长度，重复一万次后温度并未发生明显变化。

此外，EAF材料还具有易染色、易编织、穿着舒适等优点，非常适合用作服装材料。

而在这些优异性能的背后，“北极熊”功不可没。

灵感来自北极熊

北极熊能在冰天雪地的环境中长期生存，一定离不开身上的毛发。

受这一点启发，研究人员对北极熊毛发进行了分析，结果真的发现了特殊结构。

他们观察了北极熊毛发的电镜照片，发现它是一种两层结构，外层是致密的壳，内部则是疏松多孔的构造。

进一步探究表明，这两部分各司其职，外壳负责保证机械性能，内核则起到隔热保温的主要功能，同时外壳对内核也有保护作用。

按照这一思路，研究人员分别对EAF的外壳和内核进行设计，将保温功能与机械功能分离，避免了功能之间的制约。

其中，EAF的内核是含有大量亚微米级孔隙的高分子气凝胶，能从传导、对流和热辐射三个维度一同阻隔热量的损失；外壳则采用了现有的热塑性聚氨酯橡胶（TPU）材料。

制备过程中，首先将壳聚糖在1%的冰醋酸水溶液中溶解，比例为每100mL醋酸溶液加入3.7g壳聚糖。

然后将壳聚糖溶液通过泵压入金属环孔，在环孔冷区中凝固成冰肪材料，再经过马达拉取成冻融纤维，就得到了EAF的内核。

之后则是用TPU溶液对内核材料进行包裹，TPU溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，比例为每100mL溶剂中加入15g的TPU。

包裹完成后，通过恒温热风系统，在80℃左右的温度下将溶剂蒸发，于是外壳TPU层重新回到固态，就完成了EAF的核壳结构。

将此时的复合纤维进行冻干，以充分脱除水分，EAF的制备就大功告成了。

你期待穿上这件“北极熊毛衣”了吗？

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