气凝胶纤维不仅具备细长的纤维特征，还具备气凝胶材料的典型特性，如超低密度、超高孔隙率和高比表面积等，被视为下一代高性能保暖纤维材料的有力竞争者。然而，要克服纳米多孔气凝胶纤维因其高孔隙率而带来的脆弱力学特性，以便赋予其卓越的强度和高韧性，仍然是一个充满挑战性的难题。
鉴于此，中国科学院苏州纳米所张学同研究员团队首先制备了高取向度的纳米纤维并通过增加纳米纤维之间的交联点，提高了纳米多孔气凝胶纤维的机械强度和韧性，最终发展出一种轻质、超韧的纳米多孔纤维素气凝胶纤维。所制得的纤维素纳米多孔气凝胶纤维具有卓越的性能，包括高比表面积（372 m2/g）、优异的机械强度（30 MPa）、出色的伸长率（107%）和超高的韧性（21.85 MJ/m3）。由于其良好的机械性能和高韧性，这些纤维还表现出极佳的可编织性，编织产品表现出卓越的隔热性能和出色的瞬态冲击防护性能，可应用于可穿戴设备、轻质隔热材料和其他新兴领域。这项工作为设计和制备强韧纳米多孔气凝胶纤维提供了重要的指导。
图1. 超韧纤维素气凝胶纤维制备及与传统气凝胶纤维韧性对比示意图
纤维素在离子液体中阴离子和阳离子协同作用下发生溶解。首先，离子液体解离为独立的Cl－和AMIM＋离子，其中Cl－离子与纤维素中的羟基质子结合，而游离阳离子AMIM＋与纤维素中的羟基氧络合，破坏了纤维素中的氢键，从而导致纤维素溶解，形成分子级溶液（图2）。进而通过湿法纺丝将纤维素溶液挤入无水乙醇凝固浴中，形成具有一定取向度的凝胶纤维。随后，经牵伸取向进一步提高凝胶纤维的取向度。最后，通过溶剂置换和超临界干燥，得到具有多级结构的超韧纤维素气凝胶纤维（图1a）。与传统气凝胶纤维相比，这些超韧纤维素气凝胶纤维在拉伸过程中表现出超高的韧性（见图1b）。此外，根据纺丝液中纤维素含量的调控，可以获得具有不同力学性能的纤维素水凝胶纤维。
图2. 纤维素的溶解机理以及纤维素水凝胶纤维的性能表征
经超临界干燥处理可获得超韧的纤维素气凝胶纤维，这些纤维在偏振光下表现出各向异性。广角X射线散射结果表明随着纺丝液中纤维素含量的增加，纤维素气凝胶纤维的取向度也增加（见图3）。同时，随着纺丝液中纤维素含量的增加，其强度和韧性也显著提高。与传统的纤维素气凝胶纤维相比，这些纤维在韧性和断裂伸长率方面具有明显的优势。
图3. 超韧纤维素气凝胶纤维的形貌和性能表征
纤维素纳米多孔气凝胶纤维的超强韧性机理可从宏观和微观两个维度进行阐释（图4a）。气凝胶纤维是典型的纳米多孔材料，具有丰富的孔洞空间和较高的比表面积，可简化为三维网状结构。在宏观尺度上，当它受到外力拉伸时，孔洞会沿拉伸方向变形，从而促使纤维伸长而不会断裂（图4a，I）。通常构成纤维素的高分子链大多处于弯曲状态，当它们受到拉力时，弯曲的大分子链会逐渐伸直，从而也促进了纤维的伸长（图4a，Ⅱ）。更重要的是，纤维素聚合物链上有大量羟基，可形成分子内和分子间氢键。在张力作用下，纤维素聚合物链之间会发生相对滑移，在这一过程中，发生了氢键的断裂和再生，最终导致了纤维素纳米多孔气凝胶纤维的伸长，从而增强了纤维素纳米多孔气凝胶纤维的韧性（图4a，Ⅲ）。拉伸前后的气凝胶纤维的红外光谱也可看出，-OH的吸收峰（约3357 cm-1）变得更宽，拉伸频率向较低波数移动（从约3387 cm-1到约3357 cm-1）。这表明在张力作用下，氢键数量增加，进一步证实了氢键断裂和再生的过程。
图4. 超韧纤维素气凝胶纤维的超韧机理
通过按一定顺序编织超韧的纤维素气凝胶纤维，可以制备出气凝胶纤维织物和气凝胶纤维网兜（图5）。其中，气凝胶纤维织物在高温和低温条件下均表现出出色的隔热保温性能。而所得的气凝胶纤维网兜则展现出卓越的瞬态冲击防护性能。经过实验验证，即使以自由落体方式将鸡蛋从约30厘米高度扔入网兜，鸡蛋不会破碎，网兜也不会断裂，表明，超韧的纤维素气凝胶纤维能够抵御突然的冲击，并耗散纤维素气凝胶纤维之间的冲击能量。
图5. 超韧纤维素气凝胶纤维在织物保温和冲击防护等领域的应用
该工作以Ionic Liquid Directed Spinning of Cellulose Aerogel Fibers with Superb Toughness for Weaved Thermal Insulation and Transient Impact Protection为题，发表在国际知名期刊ACS Nano上（请点击“阅读原文”查看论文）。文章第一作者是中国科学院苏州纳米所刘中胜博士后与盛智芝副研究员，通讯作者为张学同研究员。该工作获得了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及苏州市科技计划的资助。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05894
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