一、研究背景

在日常生活中，保持体温对人类的生存至关重要，特别是对于长时间暴露在寒冷和多风环境中的人，如高海拔地区的士兵和工人，荒野和建筑工地。各种材料，如纤维，金属，气凝胶，泡沫等，已被用于保温，所有这些都可以部分地防止人体的热量损失。特别是气凝胶，其热导率低至15 mW m-1 K-1，甚至低于静态空气（24 mW m-1 K-1），表现出优越的保温能力。这种超绝缘性能可归因于高孔隙率（>90%），相互连接的多孔纳米结构以及低于气体分子平均自由程的孔径（环境空气为~ 66 nm）。这些固有特性使气凝胶能够有效地防止热传递。然而，零维气凝胶粉末具有固有的脆性和吸湿性缺点，限制了其可穿戴应用。相比之下，由天然纤维和合成纤维组成的纤维材料由于其理想的可穿戴性、可用性和可负担性而被广泛用于保暖。然而，商用纤维材料的孔径较大（通常为bbb100 μm），孔隙率有限（通常<50%），这使得它们无法通过限制气体分子的运动来抑制空气热传导。这些固有的瓶颈严重阻碍了它们的隔热效果（热导率> 40 mW m-1 K-1），从而限制了在极冷和多风环境下保持人体温度的能力。减小纤维直径被认为有利于实现高孔隙率和小孔径，从而通过减少对流扩散来限制更多的传热。

静电纺丝作为最先进的微/纳米纤维制造方法，可以很容易地合成连续纤维膜，纤维直径变小，孔隙率增加，孔隙结构可调节，在高性能保温材料的制造中有前景。然而，目前的静电纺丝纤维仍然存在一些关键的限制，包括孔径不够小（通常为>2 μm）、孔隙度不足和完全开放的细胞。所有这些砌块极大地限制了热能的消散，特别是在有风的条件下。到目前为止，已经通过结合涂层或掺杂的方法制备了一些用于保温的改性静电纺丝膜。尽管对流抑制增强，但电纺丝膜的热阻能力有限（>32 mW m-1 K-1），因为它们的传热路径短，结构不可控，孔隙率有限（通常<70%）。然而，与这些技术相关的普遍挑战是，所开发的电纺丝纤维材料仍然存在亚微米孔径（仍为bb0.1 μm）的问题，并且在极端寒冷环境下的保温性能很差。在我们的研究小组中，三维（3D）微/纳米纤维海绵，通过冷冻干燥或直接静电纺丝，结合高孔隙率（>90%）和体积结构，从而有效地延长了传热路径，显示出增强的保温性能（~ 28 mW m-1 K-1）。不幸的是，由于纤维海绵结构单调且完全开孔，大孔结构高度连接（难以在100 nm以下精炼），所有报道的纤维海绵仍然面临着较差的抗风能力和低效的气体绝缘(无法抑制气体分子的传热（>24 mW m-1 K-1）；此外，它们的过度厚度（bbb20 mm）阻碍了内部汗液的传递和人体关节运动，表明热湿性（<1.8 kg m-2 d-1）和动态舒适性差。因此，挑战是创造一种可行的和通用的策略来开发既有效的空气绝缘又具有动态耐磨性的保温材料。在这里，我们展示了一种跨尺度的孔隙形成策略，通过非均质静电纺丝和水分诱导溶液铸造相结合的策略来创建分层细胞结构的气凝胶微/纳米纤维膜（camm），以实现舒适的抗风保暖。我们的方法可以调节聚合物溶液的相动力学，使其组装成相互连接的纳米多孔气凝胶微/纳米纤维和定制的闭合细胞。这些纤维内的纳米孔具有纳米级孔径（<66 nm）的特征，可以通过Knudsen效应阻碍空气分子的运动和热传导，从而获得优异的保温性能（低导热系数为14.01 mW m-1 K-1）。此外，定制的封闭单元即使在高风速环境下也能有效地阻碍热对流（在10°C和5 m s-1风速下，CLO值保留率约为90%），并提高机械性能（拉伸应力增加到3.4倍）。此外，所获得的膜具有令人满意的透湿性（水蒸气透过率为3.2 kg m-2 day-1）和疏水性（水接触角为128°），同时保持超薄厚度（~ 0.5 mm）。所有这些特性都源于纳米孔和控制良好的闭孔结构的协同作用。

二、摘要

低温环境对全球经济和公共卫生构成重大挑战。然而，现有的防寒材料仍然在厚度和热阻之间进行权衡，导致热湿舒适性差，个人防寒性能有限。在这里，一种基于静电纺丝和溶液铸造的可扩展策略被开发出来，通过控制带电射流和扩散铸造溶液的相分离来制造具有分层细胞结构的气凝胶微/纳米纤维膜。互联的纳米孔（30-60 nm）、超细纤维直径和高孔隙率的集成，使气凝胶微/纳米纤维膜具有轻质、超薄厚度（~ 0.5 mm）和卓越的保温性能，其超低导热系数为14.01 mW m-1 K-1。定制的半封闭壁膜既具有显著的抗风性能，又具有令人满意的热湿舒适性（比最先进的保暖内衣温暖3.4°C）。这项工作将启发热管理应用的高性能纤维材料的设计和开发。

三、结论

总之，我们通过克努森效应和对流抑制原理来剪裁分层多孔结构，从而开发了camm。所制得的膜具有高孔隙率（91.2%）、轻质性能（92.3 mg cm-3）、良好的耐磨性、疏水性和极好的热阻性能（超低导热系数14.01 mW m-1 K-1）。此外，量身定制的闭孔结构能够有效抑制热对流和多功能多界面反射能力，有助于防风加热性能（高风速条件下传统纺织品的CLO值的25倍），而不会阻止水蒸气的传输。我们设想，这种具有定制细胞结构的纳米多孔微/纳米纤维膜将为军事行动、消防、户外设备、太空探索和工业隔热等高性能保温材料提供有前途的策略。

图1.凸轮的制造策略、结构和性能。(a)制造凸轮的示意图。(b)大型cam的光学段。插图：显示凸轮薄特性的横截面图。（c-e）不同放大倍数下camm的微观结构。(f) PS气凝胶纤维的TEM图像。(g)封闭细胞壁的SEM-EDS图像和相应的元素映射图像。(h)志愿者在10°C， 3 m s-1风下正面暴露5分钟的红外图像。

图2.纳米多孔纤维的设计与合成。（a-d）不同浓度PS纤维膜的代表性FE-SEM图像。(e)多孔结构形成机理示意图(f)三元相图中PS-DMAc-H2O的云点曲线。(g)不同浓度PS纤维膜的氮气物理吸附等温线和DFT孔径分布。(h)制备的不同浓度PS纤维膜的阳性物质鉴定孔径分布。(i)不同浓度PS纤维膜的导热系数和CLO值。