《Nano-Micro Letters》：Continuous Fabrication of Bioinspired All-Biomass Aerogel Fibers for Thermal Insulation
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气凝胶纤维因其高孔隙率和低热导率（thermal conductivity）而被认为是热防护纺织品的有前景解决方案。然而，可持续且具有机械强度的气凝胶纤维的可扩展生产仍是一个关键挑战。在此，受北极熊毛发多孔核壳结构（core-shell structure）的
气凝胶纤维因其高孔隙率和低热导率（thermal conductivity）而被认为是热防护纺织品的有前景解决方案。然而，可持续且具有机械强度的气凝胶纤维的可扩展生产仍是一个关键挑战。在此，受北极熊毛发多孔核壳结构（core-shell structure）的启发，研究人员报告了一种连续策略，以丝素蛋白（silk fibroin）为核、纤维素（cellulose）为壳，制备具有封装核壳结构（encapsulated core-shell architecture）的全生物质气凝胶纤维。这种可调结构具有径向排列的片状孔和可调节的壳厚度，通过氢键驱动的纤维素收缩和醇诱导的片状丝素蛋白固化实现。这种多孔结构有效抑制了对流传热（convective heat transfer），并促进了红外辐射（infrared radiation）的多重反射效应。所得纤维展现出良好的机械稳健性，单根气凝胶纤维的拉伸载荷可达200 g而无需增强。同时，该气凝胶纤维保持了高孔隙率（79.78%）、低热导率（52.4 ± 4.2 mW m?1 K?1）和低密度（0.193 ± 0.01 g cm?3）。此外，用这些纤维制备的气凝胶手套表现出良好的隔热性能。这些结果为具有核壳结构的仿生气凝胶纤维的设计提供了新见解，为先进可穿戴热管理提供了一条可扩展且环保的途径。
**论文解读：仿生全生物质核壳气凝胶纤维的连续制备及其热管理性能**
**研究背景与问题**
近年来，柔性热管理材料在可穿戴电子、智能纺织品和个人热防护领域受到广泛关注。相较于传统块状隔热材料，纤维基材料因其轻质、机械柔性以及与纺织系统的良好兼容性而更具优势。现有隔热材料主要包括聚合物泡沫、无机气凝胶（aerogel）和辐射调控纺织品。其中，气凝胶凭借其高孔隙率和互连结构在抑制热传递方面表现突出。然而，传统无机气凝胶脆性大、难加工，而许多聚合物基隔热材料在热稳定性和环境可持续性方面仍存在局限。因此，开发兼具低热导率、机械柔性和可持续性的纤维材料仍是一项挑战。生物质基气凝胶（如纤维素、壳聚糖、丝素蛋白和木质素）因来源丰富、生物相容性好且能形成层级结构而成为可持续隔热材料的理想选择，但多数生物质气凝胶以块状形式存在，柔韧性差、机械强度低，与纺织加工兼容性不足。受北极熊毛发多孔核壳结构的启发，研究人员尝试将多孔结构引入连续纤维中，但现有仿生气凝胶纤维多依赖多步制备工艺（如溶剂交换、定向冷冻和干燥），难以实现连续大规模生产，且高孔隙率与足够机械强度之间的平衡仍是关键问题。
**研究内容和意义**
本研究报道了一种连续制备策略，以丝素蛋白（silk fibroin, SF）为核、纤维素（cellulose, CL）为壳，通过同轴湿法纺丝、定向冷冻、溶剂交换和常压干燥相结合，成功制备了具有自封装核壳结构的全生物质仿生气凝胶纤维（SF@CL-AF）。该结构通过氢键驱动的纤维素收缩和醇诱导的丝素蛋白固化实现，核内具有径向排列的片状孔，壳厚度可调。所得纤维在保持高孔隙率（79.78%）、低热导率（52.4 ± 4.2 mW m
?1 K
?1）和低密度（0.193 ± 0.01 g cm
?3）的同时，单根纤维可承受200 g拉伸载荷，展现出优异的机械稳健性。基于该纤维编织的气凝胶手套在冷水浸泡和洗涤后仍保持有效隔热，且具有柔性、可染色和生物降解性。该研究为可扩展、环保的可持续气凝胶纺织品提供了新途径，在极端环境防护和可穿戴热管理领域具有重要应用前景。论文发表在《Nano-Micro Letters》。
**关键技术方法**
研究人员采用同轴湿法纺丝技术，将丝素蛋白水溶液作为核层、纤维素离子液体溶液作为壳层共挤出，并在去离子水凝固浴中使壳层快速凝胶化。随后，纤维通过定向冷冻模块，利用冰模板法在核内形成片状孔结构；再经乙醇溶剂交换脱水并固化片状丝素蛋白；最后在常压60 °C干燥，使纤维素壳层收缩并自封装核层，形成核壳结构气凝胶纤维。通过调节冷冻温度（?40至?100 °C）和浸入速率（0.02至1.0 mm s
?1）控制孔结构，通过改变同轴针头内径（0.20–0.60 mm）和内外针组合调节核直径（~610–850 μm）和壳厚度（~20–120 μm）。
**研究结果**
**3.1 仿生气凝胶纤维的制备**
研究人员通过同轴湿法纺丝、定向冷冻、溶剂交换和常压干燥的集成工艺，成功制备了具有自封装核壳结构的气凝胶纤维。对比实验表明：若将丝素蛋白置于壳层、纤维素置于核层，则由于纤维素剧烈收缩导致结构塌陷，无法形成气凝胶；若省略定向冷冻，核内丝素蛋白直接凝固形成致密结构；若省略乙醇固化，片状结构塌陷。因此，核壳构型与冷冻-固化耦合工艺是连续制备多孔、机械稳健气凝胶纤维的关键。
**3.2 封装核壳气凝胶纤维的结构设计**
冷冻温度主要控制冰晶尺寸和取向，浸入速率调节冰晶生长，共同塑造层级片状多孔结构。随着冷冻温度从?40 °C降至?100 °C，核内孔尺寸减小，结构从松散不规则网络转变为致密径向排列的片状结构，拉伸强度从7.30 MPa增至10.53 MPa，断裂伸长率从5.16%增至13.55%。红外热成像显示，在?20 °C和80 °C条件下，|ΔT|（纤维表面与热台温差）随冷冻温度降低而增大，表明热绝缘性能提升。浸入速率方面，0.02–0.1 mm s
?1时形成良好取向的片状孔，超过1.0 mm s
?1时孔结构变得无序。该片状结构不仅通过界面阻隔抑制热传导，还通过多重反射效应调控辐射热传递。
**3.3 核壳气凝胶纤维的几何依赖性性能**
核直径从~610 μm增至~850 μm时，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%，而热绝缘性能提升（|ΔT|在冷条件下从~1.9 °C增至~4.8 °C，热条件下从~4.6 °C增至~8.0 °C）。壳厚度从~20 μm增至~120 μm时，拉伸强度从7.62 MPa增至12.26 MPa，断裂伸长率从13.59%降至3.43%，但热绝缘性能下降（|ΔT|冷条件下从~5.3 °C降至~2.0 °C，热条件下从~7.2 °C降至~5.5 °C）。综合考虑热绝缘与机械强度，选择核直径~710 μm、壳厚度~60 μm为最优参数。
**3.4 气凝胶纤维的连续生产与生物降解**
该工艺实现了常压下连续生产，可制备多卷纤维和大面积编织织物（40×25 cm2）。编织气凝胶织物在洗涤后热绝缘性能稳定（34.5 °C vs 34.8 °C），在?20至80 °C动态热循环中表面温度响应稳定（?14 °C和70 °C）。生物降解测试显示，6周内纤维结构崩解超过90%，表明良好的环境兼容性。雷达图对比了多种同轴气凝胶纤维的拉伸强度、热导率、密度、生物降解性和连续生产能力，SF@CL-AF在机械强度、生物降解性和可扩展性方面表现出色。
**讨论与结论**
研究结论部分指出：受北极熊毛发多孔核壳结构的启发，研究人员开发了一种连续可扩展的策略，以丝素蛋白为核、纤维素为壳，制备了具有自封装核壳结构的全生物质气凝胶纤维。通过集成同轴湿法纺丝、定向冷冻、溶剂交换和常压干燥，核直径和壳厚度可灵活调节，片状多孔结构可精确控制，从而在轻质隔热与机械稳健性之间实现最佳平衡。优化后的气凝胶纤维达到高孔隙率（79.78%）、低密度（0.193 ± 0.01 g cm
?3）和低热导率（52.4 ± 4.2 mW m
?1 K
?1）。值得注意的是，基于该纤维的织物在冷水浸泡和洗涤后仍保持有效隔热，同时具备柔性、可染色性和生物降解性。该工作为可扩展、环保的可持续气凝胶纺织品提供了新途径，可用于极端环境防护。然而，实际应用仍需进一步研究长期耐久性、反复洗涤稳定性和大规模纺织集成。
