长时间暴露于寒冷环境，易对人体心血管系统、免疫系统造成不同程度的损害，甚至危及生命。天然纤维保暖材料如棉花、羽绒存在易吸湿、易虫蛀等问题，合成纤维保暖材料防潮防蛀，但其纤维直径仍为微米级，导致其保暖性能难以进一步提升。具有高孔隙率、低体积密度的纳米纤维海绵材料已成为一种备受关注的新型保暖材料。然而，受限于纳米纤维海绵较差的机械稳定性和被动保暖方式，开发轻质高弹，兼具高效隔冷和主动发热功能的纳米纤维海绵材料仍是一项巨大的挑战。

近日，浙江理工大学吴红炎副教授在期刊《ACS Applied Materials&Interfaces》上，发表了最新研究成果“Lightweight, and Mechanically Robust Ambient-Electrospun Nanofibrous Sponges Combined with Solar-Driven Active Heating and Low-Temperature Superinsulation”。针对当前静电纺体型材料制备装置复杂、纺丝环境条件苛刻的问题，研究者从纺丝原液相分离特性调控出发，引入高吸湿物质（尿素）诱导射流在常态环境下快速固化，结合原位包埋光热纳米粒子的方法，制备出了轻质、高弹聚丙烯腈纳米纤维海绵（PNFS），实现了其低温高效隔冷和太阳光驱动主动发热的功能。该研究为开发兼具被动/主动热管理功能的先进保暖材料提供了新思路。

图1：PNFS的制备设计和形貌

图2：PNFS 的机械性能。

基于PAN纺丝原液中尿素分子的高吸湿特性，在常温常湿环境中一步直喷得到蓬松堆积的纳米纤维集合体，随后通过热诱导交联反应赋予集合体稳定的力学性能。最终获得的纳米纤维海绵可以立在狗尾巴草上而不会压弯其纤毛，体现了其超轻特性（体积密度~3.8 mg cm-3）。得益于交联反应对材料内部单纤维机械性能的提升和其层状网络结构，PNFS经过500次压缩循环后，其初始杨氏模量和最大抗压强度仍保持在原始值的80%以上，表明其具有优异的压缩弹性恢复能力和微观结构稳定性。此外，PNFS在不同温度（0℃、20℃、-50℃、-100℃）下的压缩应力-应变曲线表现为小滞回闭环，且几乎无塑性变形，强调了该纳米纤维海绵具有较好的低温压缩回弹性。

图3：PNFS的被动保暖性能和疏水抗污性能。

所制备的PNFS表现出超高孔隙率（~99.7%），可存储大量空气降低固相传热，且内部纳米纤维无规排列，在材料内部构筑出众多微小孔洞进一步降低材料的气相传热，最终使PNFS具有较低的导热系数（~27 mW m-1 K-1），与市售高端聚酯保暖絮片相比，表现出更好的隔绝热量散失的能力。此外，PNFS具有优异的疏水性（静态水接触角为128°），油滴和牛奶可以停留在纤维表面而不渗入，说明该纤维海绵具有较好的抗污性能。此外，该材料即使处于相对湿度为95%的环境中8小时，其导热系数仍稳定保持在27 mW m-1 K-1左右，这表明该材料在雨雪等恶劣天气条件下仍能保持稳定的保暖性能。

图4：PNFS的太阳光驱动主动发热功能

制备的PNFS具备独特的太阳光驱动主动发热功能。在模拟太阳光辐照下，纤维海绵表面温度迅速升高，表面温度最高可升至50℃。进一步的实验数据表明PNFS@15wt%SiC样品在太阳光波段300-2500 nm范围内的平均吸收率超过未改性样品两倍以上，并且PNFS@15wt%SiC的样品在10.6-13.2 μm波段范围内的吸收峰强度显著增加，而这一吸收峰正处于人体红外窗口（8-14μm）范围内，说明SiC纳米颗粒的加入不仅可以吸收外界太阳光，还可以有效吸收人体辐射热以转化为热能存储在材料中。这种太阳光驱动的主动发热特性，为高海拔、日照充足的边境极寒地区的单兵防寒装备开发提供了新思路。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c04605

人物简介：

吴红炎，浙江理工大学纺织学院特聘副教授，硕士生导师。主要从事微纳米纤维体型材料的制备及其应用研究，在Nano Letters、ACS Applied Materials & Interfaces等国际知名期刊上发表SCI论文10余篇，申请发明专利10项，已获授权6项；主持浙江省青年探索项目、东华大学高性能纤维及制品教育部重点实验室开放课题等项目5项，参与国家自然科学基金、上海市科委等项目共7项；获浙江省青年科技工作者优秀论文、美国纤维学会优秀论文竞赛一等奖奖励；并担任Journal of The Textile Institute、Fundamental Research期刊审稿人。