科學通報 | 湍流驅動超細卷曲纖維的“超羽絨”材料制備及高效隔熱

在全球能源供應緊張與環保訴求日益迫切的當下, 研發高效且環保的保溫材料已成為科學界的重要課題. 傳統羽絨等保溫材料雖保暖性能優異, 卻因依賴大規模水禽養殖而面臨嚴峻的可持續性挑戰. 養殖過程中, 不僅要消耗大量資源, 對環境造成污染 [1] , 還引發了關于動物福利和可持續發展的爭議 [2] . 在此背景下, 高性能的人工仿生保溫材料, 尤其是具備卓越可持續性和高效隔熱性能的納米纖維結構材料, 成為了新一代熱防護服裝的突破口. 近期, 清華大學與瑞士聯邦材料科學與技術研究院在這一領域取得了重大突破, 相關成果發表于 Nature Sustainability [3] .

在自然界漫長的進化歷程中, 許多動物進化出了獨特的毛發形態 [4] . 以安哥拉山羊為例, 它們棲息于土耳其安納托利亞高原, 那里的冬季異常寒冷, 氣溫可低至?36°C [5] . 安哥拉山羊的毛發天生卷曲, 這些卷曲的毛發相互交織, 構成了復雜的空間結構, 大幅提升了毛發層的蓬松度與孔隙率. 交織的卷曲毛發能有效阻滯空氣流動, 形成穩定的隔熱層, 從而顯著降低熱量傳導效率, 幫助山羊在極寒環境中維持體溫 [6] . 這種精妙的生存智慧為我們帶來了寶貴啟示: 通過模擬這種卷曲纖維結構, 有望研發出具備高效隔熱性能的人工材料.

在材料科學領域, 超細纖維海綿材料憑借其高孔隙率、超低密度及優異的熱阻性能, 在高效保暖領域展現出巨大潛力. 研究發現, 若能有效提升超細纖維的卷曲程度, 其隔熱性能與力學特性還能得到進一步優化. 因此, 研發可大規模制備具有高均勻性卷曲結構超細纖維的技術, 不僅對推動功能性保暖材料的創新發展具有重要科學價值, 更為高性能隔熱材料的工業化應用提供了關鍵技術支撐.

然而, 傳統纖維紡絲技術存在固有局限, 給高卷曲結構納米纖維的制備帶來諸多挑戰. 在傳統方法中, 當氣流穿過單個障礙物時, 射流從層流轉變為湍流不僅耗時較長, 且形成的湍流均勻性欠佳 [7] . 為突破這一技術瓶頸, 我們創新性地研發出網格誘導均勻湍流紡絲系統(簡稱GHTS). 該系統借助多孔網格誘導產生高強度的均勻湍流, 為制備高均一性的超細卷曲纖維營造了獨特的流場環境. 具體而言, 在GHTS系統中( 圖1(a) ), 紡絲孔陣列兼具氣流通道與紡絲溶液存儲的功能, 高速氣流沖擊紡絲溶液膜使其破裂并在網格壁形成紡絲錐點; 隨著滾筒轉動, 紡絲溶液被持續送入高速氣流, 再經網格孔陣列噴出, 最終實現高曲率納米纖維(簡稱HCNFs)的高效生產. 同時, 氣流通過高密度多孔網格障礙物時, 層流經紡絲孔陣列后會演變為各向同性網格誘導均勻湍流(GHT)( 圖1(i) ), 這種由網格壁誘導形成的均勻湍流, 一方面加速了溶劑蒸發, 另一方面增強了纖維的振蕩、卷曲與折疊 [8] , 顯著提升了纖維的卷曲度及材料的孔隙率, 進而實現了HCNFs的規模化生產.

圖 1

GHTS裝置生成的湍流誘導彎曲納米纖維. (a) GHTS 裝置示意圖; (b) 網格誘導均勻湍流(GHT)形成的示意圖; (c) GHTS裝置大規模生產HCNFs的示意圖; (d) GHTS 系統制備HCNFs的高速攝像圖像(比例尺: 20?mm); (e) GHTS系統生產的HCNFs的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像. 比例尺: 20?μm. (f) GHT作用下氣流速度與納米纖維卷曲的計算流體力學(CFD)模擬結果( U 為實際速度, U g為氣流噴嘴出口平均速度); (g) 相同能耗下GHTS與溶液吹紡(SBS)系統紡絲溶液射流對比(比例尺: 5?mm); (h), (i) 流場可視化圖像(比例尺: 1?cm) [3] . Reproduced with permission from Springer Nature

計算流體力學模擬結果顯示, 氣流穿過格柵形成的均勻湍流中, 存在著多尺度且具有強烈隨機脈動的渦旋結構. 這些渦旋會對超細纖維產生顯著的拉伸與彎曲作用, 促使纖維形成高度卷曲的形態. 這種高度卷曲的納米纖維構建起了高效的保暖結構——其超細的卷曲形貌不僅提高了纖維組裝材料的孔隙率、減少了固體成分占比, 還延長了熱傳導路徑、增強了界面熱阻, 從而有效降低了熱橋效應 [ 9 , 1 0 ] . 同時, 纖維組裝結構中形成的封閉或半封閉氣穴能夠阻礙空氣流動, 顯著抑制對流傳熱 [11] . 不僅如此, 卷曲結構還能吸收和分散外力、擴大接觸面積, 進而提升材料整體的機械穩定性. 經中國質量認證中心檢測, HCNFs具有良好的環境友好性, 在礦產資源稀缺性、土地利用、生態毒性、水資源消耗和人體毒性等14項指標上均展現出可持續性優勢, 其中8項指標的環境影響僅為羽絨的5%以下.

從熱傳導的基本原理分析, HCNFs之所以具備優異的隔熱性能, 高孔隙率是核心因素之一. 依據傳熱學理論, 熱量傳遞主要通過熱傳導、熱對流和熱輻射三種途徑實現. 在HCNFs中, 大量微米級封閉氣穴的存在限制了空氣的對流運動, 從而減少了對流傳熱; 同時, 纖維的卷曲結構大幅延長了熱量在固體中的傳導路徑, 降低了熱傳導效率; 此外, 納米尺度的纖維還能對熱輻射產生散射作用, 進一步減少熱量損失.

為了量化這種結構與性能的關系, 我們開發了卷曲納米纖維孔隙率模型(CNPM). 該模型以圓堆積理論為基礎, 將孔隙率定義為三維單元中未被纖維占據的體積(不包含卷曲纖維形成的扇形區域). 模型結果顯示, 纖維的卷曲角度越大, 越容易“脫離”網格結構, 進而減少占據面積、提高孔隙率, 其中以 20?μm 長度上的卷曲角度作為主要輸入參數. 這一模型為理解HCNFs的結構對隔熱性能的影響提供了定量依據.

同時, 我們借助斯塔克-弗里克基礎模型(SFBM) [12] , 對聚乙烯醇縮丁醛(PVB)纖維材料的熱導率各組分貢獻及總熱導率隨體密度的變化規律進行了模擬. 結果顯示, 總熱導率呈現出U形曲線特征: 在低密度區間數值較高, 當體密度處于 10~16?mg?cm–3 時達到 27.60?mW?m–1?K–1 的最小值, 而當體密度超過 30?mg?cm–3 后則逐漸增大. 這一模擬結果與實驗數據吻合, 從理論層面印證了HCNFs在不同密度條件下的隔熱性能變化規律.

值得關注的是, 密度與孔隙率并非相互獨立的參數, 二者通過公式 P (%)=(1? ρ / ρ 0)×100%存在明確關聯(其中 P 為孔隙率, ρ 為體密度, ρ 0為固相密度). 據此計算, HCNFs的密度對應的孔隙率為99.51%, 這與X射線納米計算機斷層掃描 (X射 線nano-CT)測得的99.60%一致, 進一步驗證了模型的可靠性.

這種高性能卷曲納米纖維材料有望成為可持續的下一代保暖服裝內襯, 替代傳統羽絨填充, 從而減少對動物飼養、屠宰等環節的依賴. 將羽絨替換為該材料后, 搭配羅紋面料作為外層, 即便在極寒環境中仍能提供卓越的保暖性能. 暖體假人測試結果顯示, 該材料單位厚度的克羅值是850蓬松度白鵝絨的兩倍以上, 展現出出眾的御寒能力. 在?20°C環境實驗中( 圖2(b) ), 8.90?m m 厚的HCNF服裝使參與者體溫從31.60°C降至29.72°C, 保暖效果與 18.45?mm 厚的850蓬松度鵝絨服裝相當, 而厚度相近的棉質服裝則使體溫降至27.04°C, 進一步印證了HCNF材料的高效隔熱性能.

圖 2 超保暖納米纖維服裝. (a) ?28°C高緯度地區(北緯53.5°)穿著HCNF服裝的光學圖像及紅外熱像圖; (b) ?20°C環境下不同厚度服裝(HCNF、棉質、850蓬松度鵝絨)的溫度傳感實驗; (c) 出汗假人法與暴風雪條件真人試驗評估HCNF服裝保暖性; (d) ?10°C暴風雪條件下穿著HCNF服裝的紅外熱像圖; (e) ?10°C暴風雪條件下穿著HCNF服裝的運動記錄; (f) 穿著鵝絨與HCNF服裝的運動后心率變化分析( n =4, 平均值±標準差); (g) 不同保暖服裝汗液浸泡實驗的防水性評估; (h) HCNF服裝內襯與鵝絨、鴨絨的透濕性( n =3, 平均值±標準差)及透氣性( n =10, 平均值±標準差)對比; (i), (j) 鵝絨服裝與HCNF服裝的六維性能對比分 析 [3] . Reproduced with permission from Springer Nature

此外, 與鵝絨、鴨絨相比, HCNF服裝內襯在透濕性和透氣性上表現更優( 圖2(h) ), 可減少穿著時的悶熱感. 超細纖維結構產生的氣流滑移效應有效提升了材料的透氣性和透濕性, 顯著改善了穿著時的舒適度 [13] . 從流體力學角度分析, HCNFs的平均直徑為 199?nm, 而常溫下空氣分子的平均自由程約為 68?nm, 此時克努森數( K n)為0.684, 處于過渡流態(0.25< K n<10). 在這種流態下, 氣體分子與纖維表面的滑移效應顯著, 使得空氣和水分子能更順暢地通過纖維結構, 這也正是HCNFs具備優異透氣性和透濕性的原因所在.

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證實, 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異, 具備良好的耐久性和健康保障性能, 適合長期使用.

這些結果表明, HCNFs在推動下一代高性能可持續隔熱材料發展方面蘊藏著巨大潛力. 除了服裝領域, 其高孔隙率與復雜曲折的結構還賦予了它在其他領域的多功能應用前景, 例如過濾、催化、海水淡化以及生物醫學止血等場景. 展望未來, 若將先進的人工智能技術融入生產過程, 有望進一步提升生產效率、優化材料可回收性并加強成本控制, 從而為這一受生物啟發的材料平臺實現智能化、規模化應用鋪平道路.

參考文獻

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