清华大学，最新Nature Sustainability：仿生纳米纤维，性能超越天然鹅绒！

在全球能源紧张与环保需求日益迫切的今天，羽绒等传统保温材料面临可持续性挑战。羽绒采集不仅依赖大规模养殖水禽，造成环境污染和动物福利问题，而且其生产过程中的能耗、水耗巨大，亟需绿色替代方案。而高性能人工仿生保温材料，尤其具备可持续性和高效隔热性能的纳米纤维结构材料，正成为新一代热防护服装的突破口。

今日，清华大学伍晖教授、赵立豪教授联合瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）赵善宇研究员共同开发出一种基于“网格诱导均匀湍流纺丝系统”（GHTS）的高曲率纳米纤维（HCNFs），采用这种纤维制成的服装在穿着舒适性、轻便性、透气性、保暖性和湿气排出能力等方面表现出色，其孔隙率高达约99.60%。在0℃环境下，这种服装的保暖性能（以CLO值衡量）达到0.31 CLO/mm，是850蓬松度鹅绒服装的两倍（仅为0.15 CLO/mm）。此外，生命周期影响评估结果显示，由聚乙烯醇缩丁醛制成的HCNFs在14项环保指标上均优于鹅绒，其中8项指标的环境负担甚至不到鹅绒的5%。这项研究不仅展示了高曲率纳米纤维的显著优势，也提供了一种性能更强、更加环保的新型替代材料，具有广泛的市场应用潜力。相关研究以“Biomimetic nanofibres for sustainable thermal insulation”为题发表在《Nature Sustainability》期刊上，第一作者为程泽堃，崔智文为共同一作。

伍晖教授、赵立豪教授和赵善宇研究员

作者从仿生角度出发，借鉴安哥拉山羊等自然界毛发高曲率结构，提出了一种无需针头、借助湍流形成高曲率纳米纤维的新型工艺。通过GHTS装置高速气流与旋转滚筒的协同作用，纤维在形成过程中受到湍流涡旋的强烈扰动，形成复杂卷曲的三维结构（图1a-d）。这些纤维的曲率平均可达123°，最大达到450°，远高于传统静电纺丝和溶液吹纺纤维（图1e），表现出显著的多方向卷曲特征，有效提高孔隙率和蓬松性。更令人振奋的是，GHTS系统对乙缩醛缩丁醇缩醛（PVB）体系表现出极高的适配性，不仅能有效回收溶剂乙醇，减少环境污染，其生命周期评估（LCA）数据显示在14个生态指标中，有8个HCNFs仅为羽绒的5%以下（图1e）。其中在水耗、土地占用、致癌毒性等方面表现尤为突出，充分体现了HCNFs的环保潜力。

图1：GHT对HCNF服装形成的机理和可持续性

在纤维制造层面，GHTS通过多孔网格诱导湍流结构，有效增强纤维折叠和卷曲效果（图2a-c）。高倍扫描电镜和流场模拟揭示了多排孔道阵列诱发更强的紊流动能，使纤维卷曲更剧烈、尺寸更小（图2d-f）。在此基础上，作者制备出近20种不同高曲率纳米纤维，覆盖聚合物、陶瓷和碳材料体系，并通过加热处理拓展至耐高温品类（图2g-i），为不同应用场景提供了广阔的材料基础。值得一提的是，该系统制备效率远超传统技术。单孔每小时可产出1.3–11.4克卷曲纤维，总产率高达300克（图2d,g）。更小的孔径和纤维直径有效缩短热传导路径，提高隔热性能。这些HCNFs不仅结构松散、蓬松度高，还展现出优异的力学性能和变形恢复能力，显示出卓越的服用稳定性。

图 2：GHTS 设备产生的湍流诱导产生的弯曲纳米纤维

高曲率纳米纤维的热性能方面同样表现惊艳（图3a）。其热导率仅为27.60 mW m⁻¹ K⁻¹，显著低于传统保温材料如安哥拉羊毛（29.98）和电纺平直纤维（45.20），且在99.60%超高孔隙率条件下依然保持结构稳定（图3c,d）。构建的纤维卷曲度-孔隙率模型（CNPM）和热导率模拟模型（SFBM）共同证实了结构对热性能的提升机制——纤维卷曲增强了热传导路径的复杂性，有效阻断热量转移。研究还表明，HCNFs在低温和反复压缩环境下依然维持稳定形貌和功能性，SEM图像和加载测试曲线显示其形状记忆性极强，20次压缩循环后仍能保持完整回弹（图3e）。在80%应变下，HCNFs承压高达276.45 kPa，远高于鹅绒和羊毛材料（图3e）。

图3：纳米纤维的高曲率

将HCNFs应用于服装填充材料后，研究团队在中国漠河（−28°C）及雪暴等极寒环境中进行实地测试（图4a）。实验证明，填充HCNFs的8.90毫米厚服装，在保暖性上可媲美厚度近两倍的高蓬松度羽绒服（图4b）。在剧烈运动条件下，穿着者心率维持在相对安全区间（图4f），而鹅绒服饰则诱发过高的心率，表明HCNFs服装在极寒场景下更为安全可靠。此外，HCNFs服装展现出极佳的防水与透气性（图4g）。其水接触角超过135°，远超一般合成材料。手套在冰水中实验表明，HCNFs内温下降不足25%，湿气排出效率大幅优于羽绒和棉服材料。在仿汗环境中，HCNFs服装能在两小时内保持干燥，而对比组则胸前区域被汗液浸湿（图4g）。最后，研究采用热人模实验对三种服装的CLO值进行评估，结果显示HCNFs服装在0°C下CLO值高达2.77，厚度仅为鹅绒服的一半，其单位厚度保暖能力是后者的两倍以上（图4h）。在多维性能对比图中，HCNFs在舒适性、经济性、安全性、环保性等六大指标中全面领先（图4i,j）。

图4：超热纳米纤维服装

小结

综上所述，该研究创新性地开发出一种源于自然、优于自然的高性能保温纤维材料，打破了传统羽绒在高端保暖领域的垄断，开启了可持续服装材料的新纪元。研究团队表示，未来将进一步借助人工智能优化制程和材料回收，推动HCNFs走向规模化、智能化生产，并拓展其在过滤、催化、海水淡化和止血材料等多领域的应用潜力。

来源：高分子科学前沿

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