在极端工业或城市环境中，用于个人热管理的轻质保温纺织品对降低热疾病或体温过低风险至关重要。纤维素与几丁质等天然聚合物凭借出色的环保与可再生特性，已成为极具吸引力的生物基原料。同时气凝胶因高孔隙率和低导热系数被公认为优秀的隔热材料。为解决传统气凝胶对模具的依赖并实现量产，成熟的湿法纺丝技术被引入其中，用于将气凝胶前驱体连续加工成纤维，为几何多样化纺织品的连续生产奠定了基础。
不过现有的纺织填充物和涂层仍面临厚重、化石衍生及生物相容性不足等瓶颈。天然聚合物虽具可持续性，但轻量化时保温欠佳，重结构又牺牲透气与舒适度。最核心的挑战在于，气凝胶纤维的制备往往高度依赖繁琐的溶剂置换与高压超临界干燥技术。这不仅显著增加了工艺复杂性、生产成本与安全限制，还极难与连续的纺丝工艺相集成，从而严重阻碍了高效生物基保温纺织品的规模化工业应用。
针对上述问题，由武汉理工大学等组成的团队利用泽攸科技的ZEM系列扫描电镜进行了系统研究，该团队受羽绒结构启发，通过同轴湿法纺丝结合冷冻干燥技术，成功研发出具有三重隔热屏障的生物基纤维素/几丁质同轴冷冻气凝胶纤维，在无需超临界干燥的前提下突破了高性能保温纺织纤维连续规模化制备的核心创新。
研究团队受天然羽绒双重孔隙保温结构的启发，开发出一种全新的生物基纤维素/几丁质同轴冷冻气凝胶纤维的连续化制备策略。该研究巧妙地采用同轴湿法纺丝技术，将外层的纤维素溶液与内层的几丁质溶液同时挤出至稀硫酸凝固浴中，通过两种多糖组分截然不同的固化速度差异，在一步纺丝过程中直接形成了稳定的核壳分级同轴结构。在后续的干燥环节中，该工艺直接利用常规的冷冻干燥手段替代了传统气凝胶制造所必需的、高成本且操作繁琐的超临界干燥技术。这种制备路径不仅极大地降低了工艺复杂性与安全风险，更实现了与现有工业化连续纤维加工线的高效兼容，为大规模连续生产生物基保温纺织品开辟了全新方向。
图 CCF（同轴冷冻气凝胶纤维）及CCF织物的制备
图 CCF的结构
为了阐明该同轴气凝胶纤维内部微观形貌与隔热机制的精细关联，研究团队对纤维的核壳分级孔隙结构进行了深度剖析。在此过程中，研究人员利用泽攸科技的ZEM系列台式扫描电子显微镜在15千伏的加速电压下，对材料的微观形貌进行了高分辨率的成像观测。电镜结果确凿地证实，该冷冻气凝胶纤维成功构筑了独特的微观三重隔热屏障，其最外层是由再生纤维素微米级孔隙构成的多孔外壳，核心区域是由几丁质构成的纳米级孔隙网络，而在外壳与核心之间则天然形成了一个微米级的界面空气夹层空间。由ZEM系列台式扫描电子显微镜清晰揭示的这种仿生三层架构，通过缩短气体分子平均自由程、切断固体热桥以及增加红外辐射散射，在微观层面上共同抑制了固体传导、气体传导以及界面间的热量传递。
图 冷冻气凝胶纤维及织物的力学性能
图 结构缺陷（CF5）
优异的机械力学性能是冷冻气凝胶纤维能够进入实际纺织应用的核心前提，因此研究团队对不同多糖浓度的纤维进行了系统性的拉伸性能调控。实验结果表明，当纤维素壳层和几丁质核层均采用4%质量分数的纺丝溶液时，冷冻气凝胶纤维展现出最为理想的抗拉强度与内部结构的致密性，有效规避了由于浓度过高导致的相分离不均及微观缺陷。在力学测试中，一根组分优化后的单根同轴冷冻气凝胶纤维展现出了令人瞩目的承载能力，能够成功悬吊起500克的重物。同时这种纤维还兼具极佳的弯曲柔韧性，可以轻松结扎成紧密的绳结，在手动编织成织物以及围绕手指反复卷曲释放的过程中，整个核壳微观结构和界面空气层均未发生任何形变、断裂或纤维脱落，充分验证了其规模化织造的可行性。
图 CCF织物在高温环境下的隔热性能
基于纤维卓越的物理特性，研究团队将其编织成块状织物，并从静态热导率和动态环境模拟两个维度全面评估了其个人热管理效能。测试数据表明，该同轴气凝胶纤维织物展现出极低的热导率，数值仅为0.033 W/(m·K)，显著低于大多数已报道的同类生物基纺织材料。在模拟严苛环境的冷热双舞台温度场实验中，该织物在80°C的高温热台上能够保持相对更低的表面温度，将达到稳定状态的时间显著拉长，而在-20°C的低温冷台上则展现出极慢的降温速率，稳定后的表面温度明显高于传统商业化棉、聚酯和羊毛织物。这一系列在宏观热力学上表现出的显著优势，强有力地证明了该生物基同轴纤维在不依赖高密度材料的前提下，实现了轻量化与高效双向隔热性能的完美平衡。
图 CCF织物在低温环境下的隔热性能
泽攸科技ZEM系列扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，能够更广泛地应用于新材料研发、生命科学、失效分析、工业质检等多个领域，为广大科研院所和企业用户提供了一套兼具高性能与高性价比的强大微观表征解决方案。
图 泽攸科技ZEM系列扫描电镜
