清華大學《Nature》子刊：制備出超細卷曲纖維，有望替代羽絨！

近期，清華大學材料學院伍暉教授課題組、航天航空學院趙立豪教授課題組與瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究院趙善宇高級研究員課題組合作開發(fā)了一種全新的、均勻湍流驅動的無針頭溶液氣紡絲技術，提出利用滾筒式裝置連續(xù)輸送紡絲溶液進行均勻湍流紡絲制備超細卷曲纖維的方法，成功實現了超細卷曲纖維的高通量制備，為規(guī)模化生產提供了新思路。經中國質量認證中心審核，該系統(tǒng)制備超羽絨保暖服裝具備良好的環(huán)境友好性，14項環(huán)境影響指標優(yōu)于羽絨制品。

上述研究成果以“仿生超細纖維用于可持續(xù)隔熱材料”（Biomimetic nanofibres for sustainable thermal insulation）為題發(fā)表在《自然·可持續(xù)》（Nature Sustainability）上，并已公開了3項發(fā)明專利。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41893-025-01604-x

彎曲的纖維結構在自然界中廣泛存在。在自然演變過程中，許多耐寒動物具備了獨特的毛發(fā)形態(tài)以適應嚴寒環(huán)境。卷曲的毛發(fā)結構在安哥拉山羊、瓦萊黑鼻羊、西伯利亞狐、冰島羊以及林肯郡卷毛豬等極地或高緯度地區(qū)物種中普遍存在。更重要的是，這種特殊的纖維結構通過復雜的空間排列方式，顯著提升了毛發(fā)系統(tǒng)的蓬松度和孔隙率。相互交錯的卷曲纖維能夠有效阻滯空氣流動，形成穩(wěn)定的隔熱層，從而顯著降低熱傳導效率。這種精妙的結構適應性不僅增強了動物的體溫調節(jié)能力，更使其在極端寒冷環(huán)境中維持理想的熱舒適狀態(tài)。

在材料科學領域，超細纖維海綿材料因其獨特的物理化學特性，成為最具發(fā)展前景的新型功能材料之一。這類材料憑借其優(yōu)異的高孔隙率、超低密度和出色的熱阻性能，在高效保暖領域展現出顯著優(yōu)勢。有效調控超細纖維的卷曲度，可顯著提升其隔熱性能與力學特性。因此，開發(fā)可大規(guī)模制備具有高度均勻卷曲結構的超細纖維技術，不僅對推動功能性保暖材料的創(chuàng)新發(fā)展具有科學意義，更為實現高性能隔熱材料的工業(yè)化應用提供了技術支持。

前人發(fā)現，在包含多尺度渦旋的湍流中，流體微團受到流動拉伸和彎曲作用會發(fā)生顯著變形，從側面展現了湍流驅動超細纖維卷曲變形的潛力。在傳統(tǒng)紡絲方法中，氣流通過單個紡絲孔時，形成的射流從層流發(fā)展到湍流需要較長時間，而且湍流均勻性較差。本項工作采用風洞實驗中常用的格柵誘導湍流方法生成了具有顯著強度的均勻湍流，為制備具有較好均一性的超細卷曲纖維提供了流動環(huán)境。

圖1.以安哥拉山羊毛發(fā)為靈感的高度卷曲超細纖維衣物制備示意圖

圖2.格柵誘導的均勻湍流制備高度卷曲超細纖維材料過程

計算流體力學模擬揭示了，本項工作中氣流穿過格柵產生的均勻湍流中存在多尺度、強隨機脈動的渦旋結構，這些渦旋對超細纖維產生了明顯的拉伸和彎曲作用，實現高度卷曲超細纖維的大規(guī)模制備。這種高度卷曲的超細纖維構建了高效保暖結構，其超細級卷曲形貌提高了材料孔隙率，減少固體成分，延長熱傳導路徑，增強界面熱阻，有效降低熱橋效應。同時，纖維結構中形成的封閉/半封閉氣穴可阻礙空氣流動，顯著抑制對流傳熱。卷曲結構還能吸收與分散外力、擴大接觸面積，提升整體機械穩(wěn)定性。

該高性能卷曲超細纖維材料有望作為可持續(xù)的下一代保暖服裝內襯，替代傳統(tǒng)羽絨填充，減少對動物飼養(yǎng)、屠殺等環(huán)節(jié)的依賴。通過將羽絨替換為該材料，并搭配羅紋面料作為外層，在極寒環(huán)境下依然能夠提供卓越的保暖性能。暖體假人測試結果顯示，該材料的單位厚度克羅值是850蓬松度白鵝絨的兩倍以上，展現出優(yōu)異的御寒能力。此外，超細纖維結構帶來的氣流滑移效應有效提升了透氣性和透濕性，顯著改善了穿著時的舒適度。國家紡織品服裝服飾產品質量檢驗檢測中心（廣州）的耐久性測試結果進一步驗證，該材料在防油性、耐光性、抗水壓性、紫外線防護、抗螨性及防霉等級等七項關鍵指標上均表現優(yōu)異，具備良好的耐久性和健康保障性能，適用于長期使用。

圖3.HCNFs作為服裝內襯可達到超過羽絨的保暖效果

清華大學材料學院2021級博士研究生程澤堃、清華大學航天航空學院博士后（現為湖南大學機械與運載工程學院副教授）崔智文為共同第一作者。清華大學材料學院伍暉教授、航天航空學院趙立豪教授與瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究院趙善宇高級研究員為本論文的通訊作者。論文工作得到國家自然科學基金基礎科學中心等項目支持。本項工作的合作單位還包括安踏（中國）有限公司、中國質量認證中心、北京工業(yè)大學材料低碳循環(huán)國家重點實驗室、清華大學合肥公共安全研究院。

本文來自：清華大學