在全球能源供應(yīng)緊張與環(huán)保訴求日益迫切的當(dāng)下, 研發(fā)高效且環(huán)保的保溫材料已成為科學(xué)界的重要課題. 傳統(tǒng)羽絨等保溫材料雖保暖性能優(yōu)異, 卻因依賴大規(guī)模水禽養(yǎng)殖而面臨嚴(yán)峻的可持續(xù)性挑戰(zhàn). 養(yǎng)殖過程中, 不僅要消耗大量資源, 對(duì)環(huán)境造成污染 [1] , 還引發(fā)了關(guān)于動(dòng)物福利和可持續(xù)發(fā)展的爭(zhēng)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(xù)性和高效隔熱性能的納米纖維結(jié)構(gòu)材料, 成為了新一代熱防護(hù)服裝的突破口. 近期, 清華大學(xué)與瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究院在這一領(lǐng)域取得了重大突破, 相關(guān)成果發(fā)表于 Nature Sustainability [3] .

在自然界漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程中, 許多動(dòng)物進(jìn)化出了獨(dú)特的毛發(fā)形態(tài) [4] . 以安哥拉山羊?yàn)槔? 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(fā)天生卷曲, 這些卷曲的毛發(fā)相互交織, 構(gòu)成了復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu), 大幅提升了毛發(fā)層的蓬松度與孔隙率. 交織的卷曲毛發(fā)能有效阻滯空氣流動(dòng), 形成穩(wěn)定的隔熱層, 從而顯著降低熱量傳導(dǎo)效率, 幫助山羊在極寒環(huán)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(jié)構(gòu), 有望研發(fā)出具備高效隔熱性能的人工材料.

在材料科學(xué)領(lǐng)域, 超細(xì)纖維海綿材料憑借其高孔隙率、超低密度及優(yōu)異的熱阻性能, 在高效保暖領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力. 研究發(fā)現(xiàn), 若能有效提升超細(xì)纖維的卷曲程度, 其隔熱性能與力學(xué)特性還能得到進(jìn)一步優(yōu)化. 因此, 研發(fā)可大規(guī)模制備具有高均勻性卷曲結(jié)構(gòu)超細(xì)纖維的技術(shù), 不僅對(duì)推動(dòng)功能性保暖材料的創(chuàng)新發(fā)展具有重要科學(xué)價(jià)值, 更為高性能隔熱材料的工業(yè)化應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐.

然而, 傳統(tǒng)纖維紡絲技術(shù)存在固有局限, 給高卷曲結(jié)構(gòu)納米纖維的制備帶來諸多挑戰(zhàn). 在傳統(tǒng)方法中, 當(dāng)氣流穿過單個(gè)障礙物時(shí), 射流從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞑粌H耗時(shí)較長(zhǎng), 且形成的湍流均勻性欠佳 [7] . 為突破這一技術(shù)瓶頸, 我們創(chuàng)新性地研發(fā)出網(wǎng)格誘導(dǎo)均勻湍流紡絲系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GHTS). 該系統(tǒng)借助多孔網(wǎng)格誘導(dǎo)產(chǎn)生高強(qiáng)度的均勻湍流, 為制備高均一性的超細(xì)卷曲纖維營(yíng)造了獨(dú)特的流場(chǎng)環(huán)境. 具體而言, 在GHTS系統(tǒng)中( 圖1(a) ), 紡絲孔陣列兼具氣流通道與紡絲溶液存儲(chǔ)的功能, 高速氣流沖擊紡絲溶液膜使其破裂并在網(wǎng)格壁形成紡絲錐點(diǎn); 隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng), 紡絲溶液被持續(xù)送入高速氣流, 再經(jīng)網(wǎng)格孔陣列噴出, 最終實(shí)現(xiàn)高曲率納米纖維(簡(jiǎn)稱HCNFs)的高效生產(chǎn). 同時(shí), 氣流通過高密度多孔網(wǎng)格障礙物時(shí), 層流經(jīng)紡絲孔陣列后會(huì)演變?yōu)楦飨蛲跃W(wǎng)格誘導(dǎo)均勻湍流(GHT)( 圖1(i) ), 這種由網(wǎng)格壁誘導(dǎo)形成的均勻湍流, 一方面加速了溶劑蒸發(fā), 另一方面增強(qiáng)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)了HCNFs的規(guī)?；a(chǎn).

圖 1

GHTS裝置生成的湍流誘導(dǎo)彎曲納米纖維. (a) GHTS 裝置示意圖; (b) 網(wǎng)格誘導(dǎo)均勻湍流(GHT)形成的示意圖; (c) GHTS裝置大規(guī)模生產(chǎn)HCNFs的示意圖; (d) GHTS 系統(tǒng)制備HCNFs的高速攝像圖像(比例尺: 20?mm); (e) GHTS系統(tǒng)生產(chǎn)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(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬結(jié)果( U 為實(shí)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(tǒng)紡絲溶液射流對(duì)比(比例尺: 5?mm); (h), (i) 流場(chǎng)可視化圖像(比例尺: 1?cm) [3] . Reproduced with permission from Springer Nature

計(jì)算流體力學(xué)模擬結(jié)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(qiáng)烈隨機(jī)脈動(dòng)的渦旋結(jié)構(gòu). 這些渦旋會(huì)對(duì)超細(xì)纖維產(chǎn)生顯著的拉伸與彎曲作用, 促使纖維形成高度卷曲的形態(tài). 這種高度卷曲的納米纖維構(gòu)建起了高效的保暖結(jié)構(gòu)——其超細(xì)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(zhǎng)了熱傳導(dǎo)路徑、增強(qiáng)了界面熱阻, 從而有效降低了熱橋效應(yīng) [ 9 , 1 0 ] . 同時(shí), 纖維組裝結(jié)構(gòu)中形成的封閉或半封閉氣穴能夠阻礙空氣流動(dòng), 顯著抑制對(duì)流傳熱 [11] . 不僅如此, 卷曲結(jié)構(gòu)還能吸收和分散外力、擴(kuò)大接觸面積, 進(jìn)而提升材料整體的機(jī)械穩(wěn)定性. 經(jīng)中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心檢測(cè), HCNFs具有良好的環(huán)境友好性, 在礦產(chǎn)資源稀缺性、土地利用、生態(tài)毒性、水資源消耗和人體毒性等14項(xiàng)指標(biāo)上均展現(xiàn)出可持續(xù)性優(yōu)勢(shì), 其中8項(xiàng)指標(biāo)的環(huán)境影響僅為羽絨的5%以下.

從熱傳導(dǎo)的基本原理分析, HCNFs之所以具備優(yōu)異的隔熱性能, 高孔隙率是核心因素之一. 依據(jù)傳熱學(xué)理論, 熱量傳遞主要通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種途徑實(shí)現(xiàn). 在HCNFs中, 大量微米級(jí)封閉氣穴的存在限制了空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng), 從而減少了對(duì)流傳熱; 同時(shí), 纖維的卷曲結(jié)構(gòu)大幅延長(zhǎng)了熱量在固體中的傳導(dǎo)路徑, 降低了熱傳導(dǎo)效率; 此外, 納米尺度的纖維還能對(duì)熱輻射產(chǎn)生散射作用, 進(jìn)一步減少熱量損失.

為了量化這種結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系, 我們開發(fā)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(chǔ), 將孔隙率定義為三維單元中未被纖維占據(jù)的體積(不包含卷曲纖維形成的扇形區(qū)域). 模型結(jié)果顯示, 纖維的卷曲角度越大, 越容易“脫離”網(wǎng)格結(jié)構(gòu), 進(jìn)而減少占據(jù)面積、提高孔隙率, 其中以 20?μm 長(zhǎng)度上的卷曲角度作為主要輸入?yún)?shù). 這一模型為理解HCNFs的結(jié)構(gòu)對(duì)隔熱性能的影響提供了定量依據(jù).

同時(shí), 我們借助斯塔克-弗里克基礎(chǔ)模型(SFBM) [12] , 對(duì)聚乙烯醇縮丁醛(PVB)纖維材料的熱導(dǎo)率各組分貢獻(xiàn)及總熱導(dǎo)率隨體密度的變化規(guī)律進(jìn)行了模擬. 結(jié)果顯示, 總熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出U形曲線特征: 在低密度區(qū)間數(shù)值較高, 當(dāng)體密度處于 10~16?mg?cm–3 時(shí)達(dá)到 27.60?mW?m–1?K–1 的最小值, 而當(dāng)體密度超過 30?mg?cm–3 后則逐漸增大. 這一模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guī)律.

值得關(guān)注的是, 密度與孔隙率并非相互獨(dú)立的參數(shù), 二者通過公式 P (%)=(1? ρ / ρ 0)×100%存在明確關(guān)聯(lián)(其中 P 為孔隙率, ρ 為體密度, ρ 0為固相密度). 據(jù)此計(jì)算, HCNFs的密度對(duì)應(yīng)的孔隙率為99.51%, 這與X射線納米計(jì)算機(jī)斷層掃描 (X射 線nano-CT)測(cè)得的99.60%一致, 進(jìn)一步驗(yàn)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(xù)的下一代保暖服裝內(nèi)襯, 替代傳統(tǒng)羽絨填充, 從而減少對(duì)動(dòng)物飼養(yǎng)、屠宰等環(huán)節(jié)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(huán)境中仍能提供卓越的保暖性能. 暖體假人測(cè)試結(jié)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(xiàn)出出眾的御寒能力. 在?20°C環(huán)境實(shí)驗(yàn)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(dāng), 而厚度相近的棉質(zhì)服裝則使體溫降至27.04°C, 進(jìn)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(qū)(北緯53.5°)穿著HCNF服裝的光學(xué)圖像及紅外熱像圖; (b) ?20°C環(huán)境下不同厚度服裝(HCNF、棉質(zhì)、850蓬松度鵝絨)的溫度傳感實(shí)驗(yàn); (c) 出汗假人法與暴風(fēng)雪條件真人試驗(yàn)評(píng)估HCNF服裝保暖性; (d) ?10°C暴風(fēng)雪條件下穿著HCNF服裝的紅外熱像圖; (e) ?10°C暴風(fēng)雪條件下穿著HCNF服裝的運(yùn)動(dòng)記錄; (f) 穿著鵝絨與HCNF服裝的運(yùn)動(dòng)后心率變化分析( n =4, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差); (g) 不同保暖服裝汗液浸泡實(shí)驗(yàn)的防水性評(píng)估; (h) HCNF服裝內(nèi)襯與鵝絨、鴨絨的透濕性( n =3, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)及透氣性( n =10, 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)對(duì)比; (i), (j) 鵝絨服裝與HCNF服裝的六維性能對(duì)比分 析 [3] . Reproduced with permission from Springer Nature

此外, 與鵝絨、鴨絨相比, HCNF服裝內(nèi)襯在透濕性和透氣性上表現(xiàn)更優(yōu)( 圖2(h) ), 可減少穿著時(shí)的悶熱感. 超細(xì)纖維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣流滑移效應(yīng)有效提升了材料的透氣性和透濕性, 顯著改善了穿著時(shí)的舒適度 [13] . 從流體力學(xué)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(shí)克努森數(shù)( K n)為0.684, 處于過渡流態(tài)(0.25< K n<10). 在這種流態(tài)下, 氣體分子與纖維表面的滑移效應(yīng)顯著, 使得空氣和水分子能更順暢地通過纖維結(jié)構(gòu), 這也正是HCNFs具備優(yōu)異透氣性和透濕性的原因所在.

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)一步證實(shí), 該材料在防油性、耐光性、抗水壓性、紫外線防護(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, 適合長(zhǎng)期使用.

這些結(jié)果表明, HCNFs在推動(dòng)下一代高性能可持續(xù)隔熱材料發(fā)展方面蘊(yùn)藏著巨大潛力. 除了服裝領(lǐng)域, 其高孔隙率與復(fù)雜曲折的結(jié)構(gòu)還賦予了它在其他領(lǐng)域的多功能應(yīng)用前景, 例如過濾、催化、海水淡化以及生物醫(yī)學(xué)止血等場(chǎng)景. 展望未來, 若將先進(jìn)的人工智能技術(shù)融入生產(chǎn)過程, 有望進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化材料可回收性并加強(qiáng)成本控制, 從而為這一受生物啟發(fā)的材料平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化、規(guī)?；瘧?yīng)用鋪平道路.

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