浙大“北极熊毛衣”登Science,保温效率达羽绒服5倍
不仅保暖,更轻薄耐用
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
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