气凝胶纤维是一种轻质、多孔、柔韧且多功能的材料，集气凝胶和纤维材料的优点于一身，在热绝缘、污染吸附、生物医药、能源存储和航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，脆弱的机械性能限制其应用和大规模连续化的制备仍是重大挑战。
近期，江南大学魏取福教授团队在Advanced Fiber Materials 上发表了题为：“Wet Spinning Technology for Aerogel Fiber: Pioneering the Frontier of High-performance and Multifunctional Materials”的综述文章，介绍了湿法纺丝在实现连续化气凝胶纤维制备中的促进作用，详细探讨了湿法纺丝各工艺对气凝胶纤维结构的调控和性能的优化，对比分析了多样的湿法纺丝技术，例如液晶纺、微流控、同轴纺等，随后总结了气凝胶纤维在热学、吸附、光学、电学等性能上的突出优势。最后，展望了气凝胶纤维在生产制造、柔性应用中发展的机遇和挑战。
与块状气凝胶相比，气凝胶纤维具有高度柔韧性和可编织性，能够更容易地集成到各种形状和尺寸的应用中。制备气凝胶的方法包括模板纺丝（图1a）、冷冻纺丝（图1b）和湿法纺丝（图1c）。其中模板纺丝需要特定模板辅助，凝胶速度通常较慢，难以实现连续大规模生产；冷冻纺丝可以实现连续的纤维生产，并能通过工艺参数的调整控制多孔结构，但其制备的气凝胶纤维孔径较大，可加工性不够丰富。湿法纺丝可以实现连续的凝胶纤维成型，并且具有更加便利的加工特性，能实现精细化地调控纤维结构。因此，湿法纺丝是目前连续化制备气凝胶纤维的最有前景的方法之一。
图1 制备气凝胶纤维的方法
湿法纺气凝胶纤维的工艺（图2a）主要包括：（1）纺丝液制备：通过溶胶-凝胶法或纳米组元交联法制备稳定的溶胶溶液；（2）纺丝液挤出：将纺丝溶液在一定速度下通过针头、喷丝孔等挤出到凝固浴中；（3）凝胶纤维在凝固浴中成型：在凝固浴中发生溶剂和非溶剂的双扩散过程，导致相分离形成凝胶纤维；（4）拉伸和老化：对凝胶纤维进行拉伸和老化处理，进一步增强网络结构；（5）干燥：采用超临界干燥、冻干或常压干燥等方法去除凝胶纤维内部的液相，保留网络结构。每个工艺步骤都会深刻影响纤维的结构和性能。通过精细调整工艺条件，可以优化气凝胶纤维的网络结构和力学性能，不仅实现连续生产，还能根据需求提升纤维的质量和功能。此外，气凝胶纤维具有丰富的后整理工艺（图3），通过表面改性、结构优化、纺织设计等手段，赋予气凝胶纤维更多功能，提高热稳定性和机械性能，并能使其获得多样的外观。
图2 湿法纺气凝胶纤维的成型工艺流程
图3 气凝胶纤维后整理工艺
此外，为了应对湿法纺气凝胶纤维过程中遇到的特定挑战和需求，还有许多先进的湿法纺丝技术，如液晶纺（图4a）、反应纺（图4b）、同轴纺（图4c）、微流控纺丝（图4d）、干湿纺（图4e）、液体模板（图4f）、紫外辅助交联（图4g）、定向冷冻湿纺（图4h）。这些先进技术的开发是为了满足气凝胶纤维连续喝大规模生产中的具体要求，如提高机械性能、控制孔结构和增强脆弱气凝胶材料的可加工性。
图4 丰富多样的改进湿法纺丝技术
气凝胶纤维具有非常丰富的功能，并且它更容易编织或集成到纺织品和复合材料中，适用于保温服装、过滤材料、个人防护织物和智能纺织品等需要灵活性和可编织性的领域。目前，气凝胶纤维已经部分实现连续的纤维成型，但还未实现真正的连续纤维生产工艺。其中制约其连续生产的瓶颈有：（1）凝胶纤维强度不足以承受工业化纺丝设备的拉力；（2）常规干燥方法的工业化难度。但通过不断地优化纳米材料合成技术，精细调控纤维微结构，创新湿法纺丝工艺，探索新的稳定的干燥方法等，可以提高纤维的机械强度和工艺可行性。在应用方面，气凝胶纤维也将不断拓展其在多领域的潜力，带来更加多样化和功能化的产品。
江南大学郭雪为本文的第一作者，魏取福教授、吕鹏飞研究员为本文共同通讯作者。
课题组简介：
魏取福，教授，博士生导师，现任江南大学生态纺织教育部重点实验室主任；主要研究方向为纳米纤维功能材料、生物基纤维材料、智能可穿戴材料及其应用。入选教育部新世纪优秀人才。主持和承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项、教育部创新团队、新世纪人才计划、教育部重点项目等科研项目20余项。相关成果获教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、纺织工业协会教学成果一等奖等科研奖励。主编有Woodhead Publishing出版的英文学术专著2部。2020和2023连续四年入选爱思唯尔“中国高被引学者”。
吕鹏飞，校聘研究员，硕士生导师，中国科协青年人才托举工程项目入选者。目前主要致力于功能纺织纤维材料的设计及在柔性可穿戴、软机器人和热管理等领域的应用研究。近年已在Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Funct. Mater.、Nano Today、Energy Storage Mater.、Adv. Sci.和Adv. Fiber Mater.等国际期刊上发表SCI论文90余篇，申请/授权专利15项。主持中国科协青年托举人才项目、国家自然科学基金面上/青年项目、江苏省局重大项目课题、江苏省自然科学基金面上项目、博士后科学基金面上项目、国防培育项目、江南大学高层次人才引进项目和国家/教育部重点实验室开放基金等科研项目10余项，相关研究成果获2021年新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、2023年度发明创新奖、2020年江苏省优秀博士学位论文、王善元全国优秀博士学位论文基金和天津市“海河英才”青年人才项目等科研奖励。多次担任Nat. Commun.和Adv. Mater. 等国际学术期刊审稿人。
原文信息：
Xue Guo, Yuxin Zhang, Jie Li, Yi Hao, Huizhen Ke, Pengfei Lv*, Qufu Wei*. Wet Spinning Technology for Aerogel Fiber: Pioneering the Frontier of High-Performance and Multifunctional Materials. Adv. Fiber Mater., 2024.
