清華新聞網(wǎng)8月2日電 近期，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授課題組、航天航空學(xué)院趙立豪教授課題組與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究院趙善宇高級(jí)研究員課題組合作開(kāi)發(fā)了一種全新的、均勻湍流驅(qū)動(dòng)的無(wú)針頭溶液氣紡絲技術(shù)，提出利用滾筒式裝置連續(xù)輸送紡絲溶液進(jìn)行均勻湍流紡絲制備超細(xì)卷曲纖維的方法，成功實(shí)現(xiàn)了超細(xì)卷曲纖維的高通量制備，為規(guī)?；a(chǎn)提供了新思路。經(jīng)中國(guó)質(zhì)量認(rèn)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(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)優(yōu)于羽絨制品。
彎曲的纖維結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在。在自然演變過(guò)程中，許多耐寒動(dòng)物具備了獨(dú)特的毛發(fā)形態(tài)以適應(yīng)嚴(yán)寒環(huán)境。卷曲的毛發(fā)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)通過(guò)復(fù)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(cuò)的卷曲纖維能夠有效阻滯空氣流動(dòng)，形成穩(wěn)定的隔熱層，從而顯著降低熱傳導(dǎo)效率。這種精妙的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性不僅增強(qiáng)了動(dòng)物的體溫調(diào)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(xué)領(lǐng)域，超細(xì)纖維海綿材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，成為最具發(fā)展前景的新型功能材料之一。這類(lèi)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(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。有效調(diào)控超細(xì)纖維的卷曲度，可顯著提升其隔熱性能與力學(xué)特性。因此，開(kāi)發(fā)可大規(guī)模制備具有高度均勻卷曲結(jié)構(gòu)的超細(xì)纖維技術(shù)，不僅對(duì)推動(dòng)功能性保暖材料的創(chuàng)新發(fā)展具有科學(xué)意義，更為實(shí)現(xiàn)高性能隔熱材料的工業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支持。
前人發(fā)現(xiàn)，在包含多尺度渦旋的湍流中，流體微團(tuán)受到流動(dòng)拉伸和彎曲作用會(huì)發(fā)生顯著變形，從側(cè)面展現(xiàn)了湍流驅(qū)動(dòng)超細(xì)纖維卷曲變形的潛力。在傳統(tǒng)紡絲方法中，氣流通過(guò)單個(gè)紡絲孔時(shí)，形成的射流從層流發(fā)展到湍流需要較長(zhǎng)時(shí)間，而且湍流均勻性較差。本項(xiàng)工作采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中常用的格柵誘導(dǎo)湍流方法生成了具有顯著強(qiáng)度的均勻湍流，為制備具有較好均一性的超細(xì)卷曲纖維提供了流動(dòng)環(huán)境。
圖1.以安哥拉山羊毛發(fā)為靈感的高度卷曲超細(xì)纖維衣物制備示意圖
圖2.格柵誘導(dǎo)的均勻湍流制備高度卷曲超細(xì)纖維材料過(guò)程
計(jì)算流體力學(xué)模擬揭示了，本項(xiàng)工作中氣流穿過(guò)格柵產(chǎn)生的均勻湍流中存在多尺度、強(qiáng)隨機(jī)脈動(dòng)的渦旋結(jié)構(gòu)，這些渦旋對(duì)超細(xì)纖維產(chǎn)生了明顯的拉伸和彎曲作用，實(shí)現(xiàn)高度卷曲超細(xì)纖維的大規(guī)模制備。這種高度卷曲的超細(xì)纖維構(gòu)建了高效保暖結(jié)構(gòu)，其超細(xì)級(jí)卷曲形貌提高了材料孔隙率，減少固體成分，延長(zhǎng)熱傳導(dǎo)路徑，增強(qiáng)界面熱阻，有效降低熱橋效應(yīng)。同時(shí)，纖維結(jié)構(gòu)中形成的封閉/半封閉氣穴可阻礙空氣流動(dòng)，顯著抑制對(duì)流傳熱。卷曲結(jié)構(gòu)還能吸收與分散外力、擴(kuò)大接觸面積，提升整體機(jī)械穩(wěn)定性。
該高性能卷曲超細(xì)纖維材料有望作為可持續(xù)的下一代保暖服裝內(nèi)襯，替代傳統(tǒng)羽絨填充，減少對(duì)動(dòng)物飼養(yǎng)、屠殺等環(huán)節(jié)的依賴(lài)。通過(guò)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(cè)試結(jié)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(xiàn)出優(yōu)異的御寒能力。此外，超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)帶來(lái)的氣流滑移效應(yīng)有效提升了透氣性和透濕性，顯著改善了穿著時(shí)的舒適度。國(guó)家紡織品服裝服飾產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（廣州）的耐久性測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，該材料在防油性、耐光性、抗水壓性、紫外線(xiàn)防護(hù)、抗螨性及防霉等級(jí)等七項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上均表現(xiàn)優(yōu)異，具備良好的耐久性和健康保障性能，適用于長(zhǎng)期使用。
圖3.HCNFs作為服裝內(nèi)襯可達(dá)到超過(guò)羽絨的保暖效果
上述研究成果以“仿生超細(xì)纖維用于可持續(xù)隔熱材料”（Biomimetic nanofibres for sustainable thermal insulation）為題，于7月29日在線(xiàn)發(fā)表在《自然·可持續(xù)》（Nature Sustainability）上，并已公開(kāi)了3項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。
清華大學(xué)材料學(xué)院2021級(jí)博士研究生程澤堃、清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后（現(xiàn)為湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院副教授）崔智文為共同第一作者。清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授、航天航空學(xué)院趙立豪教授與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究院趙善宇高級(jí)研究員為本論文的通訊作者。論文工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心等項(xiàng)目支持。本項(xiàng)工作的合作單位還包括安踏（中國(guó)）有限公司、中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心、北京工業(yè)大學(xué)材料低碳循環(huán)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)合肥公共安全研究院。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41893-025-01604-x?sessionid=1498324526
供稿：材料學(xué)院
編輯：鄭青春
審核：黃思南
