溶剂活化锚定二氧化硅气凝胶，可水洗高蓬松 PET 保温絮片，面向可穿戴人体热管理
一、研究背景
极端冷暖气候催生对轻量化高性能保暖纺织材料的巨大需求。PET 高蓬松絮片质量轻、弹性好、适合工业化生产，但是本征热导率偏高，难以满足极地探险、户外作业等严苛低温环境的保温需求。
二氧化硅气凝胶具备极低热导率，是理想超级隔热填料。但把商用二氧化硅气凝胶颗粒复合到纺织絮片中，现有工艺存在难以调和的痛点：
1. 颗粒易团聚：气凝胶颗粒比表面极高，颗粒间范德华力强，简单物理混合极易团聚，团聚体反而会构建固体导热通路，削弱隔热性能；2. 界面结合弱、掉粉严重：物理填充、简单涂覆，气凝胶与纤维之间仅微弱接触，受到挤压、揉搓、水洗后大量颗粒脱落，耐久性差，还带来粉尘安全隐患；3. 粘结剂方案的副作用：引入高分子粘结剂虽然可以固定颗粒，但粘结剂会堵塞纤维孔隙，大幅牺牲材料的透气、透湿性能，穿戴舒适性下降。
大多数研究依靠外加粘结剂实现颗粒固定，很少从分子层面调控纤维‑气凝胶界面。本文提出溶剂活化界面工程策略，不使用大量粘结剂，利用DMF溶剂双重作用，同时实现气凝胶颗粒分散与 PET 纤维表面活化锚定；再搭配上下两层纳米纤维膜做三明治封装，得到 NF‑SPB 复合絮片，兼顾优异隔热、弹性、可水洗、透气透湿，适合纺织工业化放大。
二、核心创新点
DMF溶剂发挥双重功能：①通过范德华相互作用，在二氧化硅气凝胶颗粒外形成溶剂化壳层，抑制颗粒团聚，实现颗粒离散均匀分布；②溶剂诱导 PET纤维局部分子链重排、局部有序化，在纤维表面生成微观锁合位点，实现气凝胶颗粒机械锚定，不需要大量高分子粘结剂。絮片上下两面电纺 PET 纳米纤维薄膜，利用尺寸筛分效应阻挡气凝胶颗粒逃逸；纳米纤维膜孔径小于气凝胶颗粒，不堵塞内部孔隙，在不牺牲透气透湿前提下，进一步解决揉搓、水洗掉粉难题。最优 15 wt% 气凝胶负载样品，热导率低至27.7 mW·m⁻¹·K⁻¹；同时保留高弹性，耐反复压缩循环；保持优异水汽透过率、透气性；高湿度环境、多次压缩后隔热性能几乎不衰减。整套工艺适配卷对卷连续加工，喷涂距离、溶剂用量、气凝胶负载量工艺窗口明确，具备纺织产业落地潜力。
三、制备方法
1. 底层纳米纤维预沉积：在商用 PET 高蓬松絮片基底，电纺沉积一层 PET 纳米纤维膜，作为底层阻挡层。2. 溶剂活化+喷涂负载气凝胶：在絮片表面喷涂DMF溶剂，活化PET纤维表面；随即喷涂疏水二氧化硅气凝胶正己烷分散液；DMF一方面抑制颗粒团聚，另一方面诱导PET链局部重排，溶剂挥发后颗粒被锚定在纤维表面。
工艺参数：喷涂距离5cm，DMF用量40 mL/m²；通过改变分散液喷涂量，制备5wt%、10wt%、15wt%、20wt% 不同负载样品，15wt%为最优配比。
3. 顶层纳米纤维封装：再次电纺 PET 纳米纤维膜覆盖絮片上表面，形成「纳米纤维膜‑气凝胶复合 PET 絮‑纳米纤维膜」三明治结构。4. 真空烘箱后处理：100 ℃真空干燥 2 h，充分除去残留溶剂，得到 NF‑SPB 成品。
对照：DMAc 溶剂会造成 PET 纤维宏观溶解，反而导致气凝胶颗粒在缝隙团聚；乙醇无法活化PET 分子链，锚定效果差；因此 DMF 是最优溶剂。
四、性能特点
微观结构
二氧化硅气凝胶颗粒离散锚定在 PET 纤维表面，无明显团聚；BET 比表面积高，保留气凝胶本征介孔结构；三明治结构，上下纳米纤维膜起到颗粒阻隔，内部 PET 高蓬松絮片提供骨架。
隔热性能
最优样品 NF‑S₀.₁₅PB 热导率27.7 mW·m⁻¹·K⁻¹，显著优于原始 PET 絮片（34.11 mW·m⁻¹·K⁻¹）；手掌红外测试：覆盖该絮片相比裸手最大温差 11.7 ℃；冷热平台测试，双向抑制热量传递；50‑90% 相对湿度环境、100 次压缩循环，热导率几乎无变化；5 次水洗后隔热性能保持稳定。
力学弹性性能
拉伸强度 30 kPa；5 % 应变下 600 次拉伸循环，应力保留 63 %，塑性形变仅 2.5 %；压缩可承受 95 % 大应变，完全弹性回复；60 % 应变 600 次压缩疲劳后应力保留近 90 %；压缩过程气凝胶颗粒处于纤维间隙，不直接承受载荷，避免硬脆气凝胶颗粒破碎。
穿戴舒适性能
水汽透过率 6648.8 g·m⁻²·24 h⁻¹，满足纺织穿戴透湿要求；保持良好透气性；三明治封装+溶剂锚定双重保障，水洗、反复挤压揉搓几乎无掉粉，解决气凝胶纺织应用粉尘痛点。
五、潜在应用
1. 高性能户外防寒纺织品：极地服装、高寒户外防护服、滑雪服内胆，轻量化高效保暖。2. 劳保防护絮料：低温作业劳保棉衣内衬，可水洗、反复使用。3. 冷链柔性隔热衬垫：便携式冷链包、保温袋柔性隔热夹层。4. 特种装备柔性隔热材料：需要柔性、可弯折的装备隔热衬里。
六、结论与展望
该工作提出DMF 溶剂活化界面工程策略，不需要大量粘结剂，依靠溶剂双重效应：一方面通过范德华力形成溶剂化壳层抑制二氧化硅气凝胶颗粒团聚；另一方面诱导 PET 纤维分子链局部重排，在纤维表面生成微观锁合位点，实现气凝胶颗粒牢固锚定。再搭配 PET 纳米纤维膜三明治封装结构，解决气凝胶纺织应用掉粉、团聚两大核心痛点。
最优负载 15 wt% 的 NF‑SPB 复合絮片，热导率低至 27.7 mW·m⁻¹·K⁻¹，同时具备优异拉伸压缩弹性；耐水洗、耐反复压缩，高湿度条件隔热稳定，保持良好透湿透气，兼顾隔热性能与穿戴舒适性；工艺适配卷对卷连续化纺织加工，为高性能可水洗气凝胶防寒纺织絮料提供一条可行的工业化路线。
图文解析
图1. NF‑SPB 设计原理与微观形貌。图2. SA/PET 絮片溶剂调控与结构演化。图3. NF‑SPB 力学性能表征。图4. NF‑SPB 隔热性能与穿戴舒适性。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.75937
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